État des lieux

Caractéristiques des fondations et des mâts des éoliennes

Pour encaisser la prise au vent, la stabilité mécanique des éoliennes (appelées aussi aérogénérateurs) est assurée par de profondes fondations. Pour les éoliennes terrestres, ces fondations sont en béton, posées au fond d’une excavation et recouvertes de terre.

Le modèle d’éolienne le plus répandu en France à ce jour est constituée d’un mât de 80 mètres de hauteur et d’un rotor de 80 mètres de diamètre, dont la masse atteint environ 250 tonnes. Pour un tel aérogénérateur de 2 MW, l’excavation est de près d’une vingtaine de mètres de diamètre et d’une profondeur de 3 mètres. Au fond de cette excavation, un coffrage d’environ quinze mètres de diamètre est remplie de 1 à 1,5 mètre de béton et recouvert de 2 à 1,5 mètres de terre (sauf la partie centrale qui supporte le mât de l’éolienne). Soit une masse de béton d’environ 600 tonnes et armée de 25 tonnes d’acier. En surface, le socle occupe un diamètre de 4 à 5 mètres selon le modèle et le gabarit de l’éolienne.

La masse de la terre remblayée qui recouvre le radier (cf. glossaire) en béton joue également un rôle important dans la stabilité ; dans l’exemple précédent, elle représente une masse de 400 tonnes.

Les modèles d’éoliennes les plus récemment installés en France ont un mât de 100 mètres de hauteur et un rotor de 100 mètres de diamètre pour une puissance de 3 MW. La fondation a alors une vingtaine de mètres de diamètre, pour une profondeur toujours de 3 mètres. La masse de béton atteint alors plutôt 800 tonnes, armé de 40 tonnes d’acier.

La quantité de béton utilisée varie selon les installations

Certes, les éoliennes sont de plus en plus hautes et de plus en plus puissantes, et les volumes des fondations croissent également. Mais, il n’y a pas de corrélation directe entre la puissance électrique d’une éolienne et le volume de béton des fondations.

D’une part, le dimensionnement des fondations dépend plutôt de la prise au vent et du diamètre du rotor : les éoliennes ont un rotor de plus grande dimension pour une puissance donnée sur les sites les moins ventés. Par exemple, au lieu d’un rotor de 80 mètres de diamètre pour alimenter une génératrice de 2 MW, on pourra trouver, sur un site moins venté, un rotor de 90 mètres de diamètre, voire de 100 mètres ou plus.

D’autre part, le dimensionnement des fondations est déterminé par les caractéristiques du sous-sol, en particulier les potentielles poussées par les eaux sous-jacentes.

Le besoin d’augmentation de la masse des fondations se traduira davantage par un diamètre plus grand, dépassant les vingt mètres de diamètre pour les éoliennes d’aujourd’hui (vingt-cinq mètres de diamètre constituant le plus grand diamètre de fondation constaté), que par une excavation plus profonde.

Des mâts d’éoliennes en béton

Depuis quelques années, certains constructeurs d’éoliennes proposent de réaliser les mâts en béton en partie basse voire sur toute la hauteur. Cette tendance devrait se renforcer pour plusieurs raisons. Les avantages sont principalement mécaniques pour les mâts de très grande hauteur, mais également économiques, car le prix du béton est plus stable que celui de l’acier. Ils sont aussi logistiques avec des unités de production moins complexes et plus proches des parcs d’éoliennes, ce qui facilite le transport jusqu’au site.

Caractéristiques des pistes d’accès aux éoliennes

Pour des raisons aérodynamiques, d’éloignement de tout riverain d’au moins 500 mètres et de contraintes et servitudes techniques et environnementales, l’emplacement des éoliennes est très souvent éloigné du réseau existant des routes et chemins, ce qui contraint les constructeurs à la création de pistes dédiées. De plus, pour des raisons de sécurité avant tout, les éoliennes ne peuvent surplomber le domaine public en général et les routes, pistes et chemins en particulier, obligeant, là-aussi, à la création de pistes dédiées.

Du fait de composants lourds, en particulier les tronçons en acier ou en béton des mâts (150 tonnes pour un mât de 80 mètres), de composants de grande longueur, avant tout les pales (40 mètres pour les éoliennes installées ces dernières années, 50 mètres et plus dans les années à venir), les pistes d’accès doivent respecter des cahiers des charges exigeants en termes de largeur (5 mètres en moyenne), de stabilité, de pente et de rayon de courbure pour les virages.

Sauf exception, en particulier pour les portions pentues ou pour des sols de qualité insuffisante, ces pistes ne sont pas imperméabilisées mais constituées d’un mélange de graves concassées.

La consommation de terres

D’autres équipements ou composants d’un parc éolien peuvent être consommateurs de surface : aires d’assemblage des pales, aires de hissage des éoliennes, poste de livraison électrique, base-vie de chantier, etc. Leur importance varie selon la taille des machines, la configuration du site et les choix du maître d’œuvre pour le chantier (comme l’assemblage en l’air ou au sol des pales). Certaines emprises sont temporaires, comme les aire d’assemblage des pales, tandis que d’autres accompagnent la vingtaine d’années d’exploitation du parc.

En phase d’exploitation, on observe une consommation proche de 0,5 hectare par éolienne¹, l’essentiel étant constitué par la création ou l’élargissement des accès et par les aires de montage.

Règles et pratiques de démantèlement des éoliennes

Le démantèlement des éoliennes après environ vingt ans d’exploitation est à la charge de l’exploitant du parc éolien (et pas du propriétaire des parcelles). Il est régi par plusieurs textes réglementaires² qui fixent un préalable et deux impératifs. Le préalable est l’obligation de démantèlement et de remise en état du site en fin d’exploitation. Le premier impératif, chronologiquement, concerne une provision financière pour garantir le futur démantèlement et éviter ainsi la création d’une friche industrielle avec des éoliennes à l’abandon. Le second impératif concerne les conditions techniques du démantèlement.

La provision financière réglementaire a été fixée à 50 000 euros par éolienne. Elle doit être constituée avant la mise en service du parc éolien. Mais le paiement de la facture du démantèlement est également assuré par la vente des métaux constituant l’éolienne : 150 tonnes d’acier dans l’exemple d’une éolienne de 2 MW, plusieurs dizaines de kilogrammes de cuivre et d’aluminium, des centaines de tonnes de béton réutilisables sous forme de granulats. Dans quelques cas, ce démantèlement peut être financé par l’utilisation en seconde main de l’éolienne d’occasion. Les retours d’expériences (la première éolienne a été raccordée au réseau électrique français il y a 28 ans) confirment cet équilibre financier.

La règlementation a aussi fixé l’enlèvement des fondations sur une profondeur minimale d’un mètre, avec deux exceptions : une exception minimale à 30 centimètres de profondeur pour les terrains rocailleux non-agricoles et une exception maximale de 2 mètres en zones forestières, compromis entre la possibilité de réutilisation du site et les coûts financiers et environnementaux du chantier de démantèlement. L’obligation est également faite de retirer les postes de livraison électrique et les câbles électriques dans un rayon de 10 mètres autour des aérogénérateurs et des postes de livraison.

Impacts de la bétonisation

Un impact limité sur l’environnement

Le béton étant un matériau inerte, les fondations d’une éolienne ne présentent pas d’incidences particulières, même sur des terres agricoles. En effet, étant enfouies, elles peuvent être assimilées à des (très) gros blocs de rochers, avec quelques incidences localisées comme l’obstacle à l’écoulement souterrain des eaux, mais sans incidence majeure sur l’activité et la production agricoles. L’exemple le plus familier est celui des bunkers de la seconde guerre mondiale.

La phase de terrassement, avec le chantier de creusement de la fondation et de coulage du béton, génère des nuisances localisées et limitées dans le temps, qu’il s’agit de minimiser par la localisation des aérogénérateurs, l’organisation du chantier et le choix de la période de réalisation.

Consommations comparées de béton

L’estimation de tout impact, de toute incidence ou de tout effet n’a de vrai sens qu’en termes de comparaison. Il est ainsi intéressant et utile de situer la consommation de béton de la filière éolienne vis-à-vis de la consommation nationale de béton et de la comparer à d’autres moyens de production électrique.

Selon l’Union Nationale des Industries de Carrières et Matériaux de Construction (UNICEM), la production nationale annuelle de béton prêt à l’emploi est comprise entre 35 et 40 millions de mètres cubes.

Sachant que chaque année (moyenne des trois dernières années), il s’installe en France 1 600 MW d’éolien et qu’une éolienne de 3 MW nécessite près de 400 m³ de béton, la consommation annuelle de béton de la filière éolienne sera d’environ 210 000 m³, soit 0,5 % de la production nationale.

Le projet de Programmation Pluriannuelle de l’Energie (PPE) de janvier 2020 prévoyant un rythme moyen de 1 800 MW éolien installés chaque année³ dans les dix années à venir (15 GW installés fin 2018, objectif bas de 33 GW fin 2028), cette consommation annuelle de béton atteindrait alors environ 250 000 m³, soit 0,7 % de la production nationale.

En ce qui concerne la production d’électricité, la comparaison peut être effectuée avec l’électricité nucléaire, majoritaire dans notre pays, et l’EPR d’une puissance de 1 600 MW en construction à Flamanville dans la Manche. Selon la société Bouygues Travaux Publics⁴, 400 000 m³ de béton ont été nécessaires pour le génie civil de ce nouveau réacteur.
La stricte comparaison par kWh produit est cependant compliquée : sur une année, un MW nucléaire produit environ trois fois plus qu’un MW éolien (du fait d’un facteur de charge plus élevé) et la durée de vie de l’EPR annoncée est plus importante que celle des éoliennes. Par contre, une réutilisation du béton est délicate, voire impossible, pour l’EPR. Il est nécessaire de préciser que cette comparaison est restrictive : elle ne concerne que la seule question du béton consommée.

Mais la filière nucléaire de production d’électricité est consommatrice de béton à d’autres stades. Ainsi l’Agence Nationale pour la gestion des Déchets Radioactifs (ANDRA) cite le besoin⁵ de 6 millions de m³ de béton pour le projet de centre de stockage profond de déchets radioactifs dans le département de la Meuse.

Recyclabilité et réutilisation

Une fois enlevé, le béton des fondations des éoliennes, lui, peut être réutilisé comme matériau de génie civil, pour la chaussée de voies de circulation ou pour des comblements.

Impacts de la consommation des terres

L’emprise globale d’un parc éolien comprend le socle des éoliennes, mais surtout celle des aires de montage ainsi que celle des accès. Selon l’ADEME, la très grande majorité du parc éolien français (83 %) est installée sur des zones agricoles ⁶. L’énergie éolienne peut donc entrer en concurrence d’utilisation du sol avec l’agriculture, une autre activité d’exploitation de ressources naturelles, mais ces emprises sont localisées et limitées. Des textes réglementaires limitent cette consommation de terres agricoles ; et celle-ci reste marginale par rapport à l’artificialisation en France qui est principalement due à la création de nouvelles zones résidentielles, commerciales, industrielles ou logistiques, et aux infrastructures de transport associées (routes, parkings, etc). Et cette consommation de terres est en grande partie réversible.

Consommation comparée des terres

Le projet de Programmation pluriannuelle de l’énergie (PPE) prévoit l’installation de 18 000 MW éolien supplémentaires d’ici à 2028, soit 6 200 éoliennes de 3 MW de puissance unitaire. Sur la base de 0,5 ha par éolienne¹, 310 ha de terres agricoles seraient alors consommés chaque année.

Cette valeur est à comparer aux 14 500 ha artificialisés chaque année en France (moyenne 2006-2012 selon le ministère de l’Écologie)⁷. Le développement de l’éolien contribuerait ainsi à environ 1,5 % de « l’artificialisation » des terres en France, tout en sachant qu’une importante partie de cette artificialisation (les accès) peut avoir d’autres vocations (desserte agricole, desserte pour la Défense des forêts contre les incendies), et qu’une autre est réversible au terme du démantèlement et de la remise en état du site.

Des pistes d’amélioration

Par rapport à d’autres filières énergétiques, la production d’électricité au moyen de la force mécanique du vent est relativement récente. Existe-t-il des moyens de minimiser la consommation de béton pour les fondations et la consommation de terres pour les accès et les aires de travail ?

Fondations innovantes

Le dimensionnement des fondations répond à des normes techniques prenant en compte les résultats des expertises géotechniques et l’application de marges de sécurité. Mais des voies de réduction des besoins en béton apparaissent possibles, à court ou moyen terme.

Les progrès de la modélisation laissent espérer une optimisation des masses requises, mais de manière marginale. En effet, d’une part les modélisations sont déjà aujourd’hui très performantes et laissent peu espérer d’optimisation à la baisse des masses requises. D’autre part, l’énergie du vent, avec ses fortes variations, est considérable (fonction du cube de la vitesse de ce vent) et nécessite des fondations conséquentes.

Des fondations en étoile, et non plus cylindriques, ont été testées avec l’hypothèse que l’augmentation des surfaces d’échange entre les fondations et la terre pouvait contrebalancer une moindre masse de béton. Mais cela implique un coût supérieur lié aux coffrages et aux armatures.

La technologie de fondations par pieux (par exemple une quinzaine de pieux d’une quinzaine de mètres de profondeur) permet de diminuer l’importance de l’excavation et de réduire jusqu’à 40 % les besoins en béton. En revanche, elle atteint des couches plus profondes du sol, avec les risques liés à la présence de nappes phréatique ou de substrats durs. Elle est également plus coûteuse.

Réutilisation des fondations

Les fondations des éoliennes de première génération ne sont pas réutilisables pour de nouvelles machines pour deux raisons principales. D’une part, elles n’ont pas été conçues pour de tels réemplois et il est extrêmement délicat d’évaluer leur fatigue après une vingtaine d’années d’exploitation. D’autre part, le gabarit des machines a significativement augmenté en une quinzaine d’années, et les anciennes fondations seraient insuffisantes pour résister aux charges mécaniques d’éoliennes deux à trois fois plus puissantes. Par ailleurs, les espaces entre les machines augmentant avec les nouvelles éoliennes, les emplacements des anciennes fondations ne concordent pas avec les besoins des nouvelles.

En revanche, en ce qui concerne les éoliennes récentes, avec une certaine tendance au plafonnement de leur hauteur, en particulier dans les sites à contraintes aéronautiques, il est possible d’envisager des fondations d’éoliennes, ainsi que des mâts, conçus pour durer une quarantaine d’années, ce qui minimiserait globalement la consommation de béton. Il s’agit alors de choix techniques et économiques de moyen terme, qui ne sont pas nécessairement encouragés aujourd’hui par les pouvoirs publics.

Moindre consommation d’emprise au sol

La réduction de l’occupation des sols est incitée par des dispositifs réglementaires⁸, notamment par la réalisation d’une étude préalable sur l’économie agricole et la mise en œuvre de mesures de compensation collective agricole. Cette étude est exigée lorsqu’un projet (éolien ou pas) dépasse un seuil fixé au niveau départemental (5 ha par défaut). Cette étude préalable déclinera la séquence « Éviter – Réduire – Compenser » aux impacts sur l’activité agricole. Les mesures attendues sont généralement des mesures économiques de soutien ou d’accompagnement des filières locales impactées.

L’assemblage en l’air des pales d’un rotor est le principal moyen de réduction de l’emprise au sol d’un projet éolien, en évitant d’assembler au sol les trois pales du rotor avant qu’elles ne soient hissées. Mais cela ne concerne que la phase de chantier. De fait, les aires de montage des éoliennes sont, dans la très grande majorité des cas, conservées durant toute la durée d’exploitation afin de permettre le remplacement d’une pale ou de tout ou partie de la nacelle.

Dans tous les cas, l’emprise au sol des éoliennes est assez peu dépendante de la puissance unitaire des éoliennes. En conséquence, pour satisfaire un objectif national donné de production, cette emprise globale diminuera, le nombre d’éoliennes requis pour atteindre cet objectif étant moindre qu’auparavant.

Cet article est issu d’un travail collectif mené par Enercoop, Énergie Partagée et Terre de liens pour comprendre et donner des clés de réponse sur les liens entre transitions agricole et énergétique, en s’appuyant sur le travail de décryptage de l’Association négaWatt et Solagro, et avec le soutien de l’Ademe. En savoir plus.