L'éolien aéroporté peine à décoller

L’essor des éoliennes classiques à axe horizontal se confirme années après années et ne semble pas ralentir. En Europe, la puissance du parc a atteint 255 GW (dont 30 GW en offshore) fin 2022. Selon les statistiques de Wind Europe, il a ainsi généré 489 TWh d’électricité dans l’Union européenne et au Royaume-Uni, couvrant près de 17 % de la consommation de cette zone. Mais, outre l’opposition qu’il peut générer, l’éolien pâtit aussi d’une imperfection technique. Ses pales fixes, perchées à des hauteurs qui ne dépassent pas les 200 mètres, ne peuvent pas maximiser la captation du vent car celui-ci change souvent de direction, de force et d’altitude. Pour récupérer au mieux ces flux, le concept d’éoliennes aéroportées (en anglais : Airborne Wind Energy Converters, ou AWEC) serait, en théorie, la panacée. En s’élevant jusqu’à 600 m, ces appareils aux formes variées (cerfs-volants, drones, avions, etc.) seraient capables de capter des vents plus forts et plus stables à différentes altitudes.

Cette idée a tout d’abord vu le jour dans l’esprit de l’utopiste américain d’origine allemande John Adolphus Etzler. Dans un ouvrage proche de la science-fiction et édité en 1833, il imaginait un monde débarrassé du travail et de la misère grâce à la technologie. Un monde où l’Homme pourrait vivre sur des îles flottantes, se déplacer grâce à des aéronefs et exploiter l’énergie éolienne à haute altitude… Mais il faudra attendre plus d’un siècle la généralisation de l’utilisation de l’électricité et les progrès des cerfs-volants de grande taille pour que ce concept soit repris. Dans les années 1960, l’Agence spatiale américaine, la Nasa, avait notamment mis au point une aile en forme de V pour le retour des capsules spatiales Gemini vers la Terre qu’elle remplacera finalement par un simple parachute.

Quelques années plus tard, les premiers articles scientifiques qui envisagent de lancer des éoliennes aéroportées sont publiés. Cependant, il faudra encore patienter jusqu’au début du XXIe siècle pour que le concept émerge réellement suite aux travaux de Wubbo Ockels, physicien et astronaute néerlandais. À l’Université de technologie de Delft, il a travaillé sur un concept de récupération d’énergie jusqu’à 10 km d’altitude. Son laboratoire a ensuite envisagé des ailes qui volent plus bas dans l’atmosphère. Ces recherches menées aux Pays-Bas ont conduit à la création de deux entreprises, Kitepower et Ampyx Power, et un nombre croissant de chercheurs, de passionnés et d’entrepreneurs se sont intéressés à cette technologie. Tous les deux ans, ils se retrouvent lors d’une conférence qui accueille plus de 200 délégués d’une vingtaine de pays.

Des architectures très variées

Malgré l’intérêt croissant qu’elles suscitent, les éoliennes aéroportées en sont à leur balbutiement. Par conséquent, les projets développés sont des prototypes très différents les uns des autres. Chaque installation se distingue par quatre choix clés de conception. Tout d’abord au niveau de la production d’énergie : à bord ou au sol. Dans le premier cas de figure, l’objet volant est équipé d’hélices. Elles génèrent de l’électricité qui est alors transmise vers le sol par le câble retenant l’appareil. C’est surtout aux États-Unis que ces installations sont à l’étude. En Europe, continent phare sur ces technologies, les inventeurs privilégient plutôt la production à terre. Des ailes oscillent dans le vent et transmettent un mouvement au sol via un câble : ce mouvement est alors converti en électricité via un générateur.

Ensuite, les porteurs de projets bénéficient d’un choix très large d’engins volants. La structure du dispositif aéroporté peut être soit rigide comme la plupart des avions, soit souple comme un cerf-volant. Les engins peuvent aussi arborer des formes très différentes : deltaplane, parapente, avion, drone, voire des formes plus originales. Le troisième choix clé concerne la façon de voler. L’appareil pourra flotter par vent de travers ce qui permet de mieux récupérer l’énergie. Mais il sera alors difficile à contrôler et subira de fortes contraintes mécaniques. À l’inverse, il est possible de mettre en œuvre des engins plus stationnaires.

Enfin, le quatrième et dernier choix porte sur le décollage et l’atterrissage. Il est envisageable de le faire horizontalement comme un avion traditionnel, verticalement comme un hélicoptère ou un drone, d’utiliser une combinaison des deux, un cerf-volant pilote ou un autre système auxiliaire. Il existe donc au moins 24 configurations potentielles qui combinent ces quatre choix de conception (voir illustration) sans compter les possibilités d’hybridation entre les concepts. À l’heure actuelle, il paraît particulièrement compliqué de prédire lesquels perdureront, ni si certains parviendront à être commercialisés. Il est probable que plusieurs conceptions coexistent en s’adaptant à des marchés spécifiques.

Une myriade de prototypes

De nombreuses start-ups s’intéressent aux éoliennes aéroportées, principalement en Europe. Créées pour la plupart il y a une décennie, elles ont toutes opté pour un générateur au sol. Kitepower, basée aux Pays-Bas, développe un cerf-volant qui vole par vent de travers en suivant une trajectoire en huit dans l’optique de récupérer un maximum d’énergie. Cet engin de 100 kW, lancé à une altitude comprise entre 70 et 400 m, doit produire 450 MWh par an d’électricité grâce à un générateur au sol qui convertit l’énergie mécanique du cerf-volant. Ce prototype a notamment été testé en 2021 en collaboration avec le ministère de la Défense des Pays-Bas sur Aruba, une île néerlandaise de la mer des Caraïbes située au large des côtes du Venezuela.

Cette initiative a permis de tester l’installation sur deux marchés qui intéressent particulièrement Kitepower et les autres entreprises du secteur : les îles isolées et les armées en opérations extérieures. L’entreprise suisse Twingtec a de son côté mis au point un prototype de 10 kW en forme de planeur équipé de huit hélices. En 2018, il a effectué un vol de trente minutes ainsi qu’un décollage et un atterrissage en autonomie complète. Une première étape intéressante mais qui reste très éloignée de la promesse des acteurs de la filière de voler et de produire en continu. La start-up espère créer à terme un modèle de série d’une capacité de 100 kW. Skypull est une autre société suisse qui a choisi de son côté un engin ressemblant à un drone surmonté de quatre rotors. Prévu pour voler à 400 m du sol, il devrait être lancé dans les prochaines années dans une version commerciale de 100 kW et de 6 m d’envergure. Le constructeur annonce que sa technologie pourrait atteindre à plus longue échéance 17 m d’envergure pour une capacité de production de 1 MW. Mais, pour l’instant, seul un prototype d’un peu plus d’un mètre a effectivement généré de l’électricité…

L’Allemagne travaille aussi sur ce type de technologie. Enerkite développe une aile assez simple en forme de V dans une optique de poids et de coût minimisés. Semi-rigide, elle est construite en fibre de carbone et vole en décrivant des cercles. Elle est reliée à un conteneur dans lequel est installé un générateur. En outre, « un système de stockage permet de lisser l’afflux d’énergie et de fournir de l’électricité en continu », explique Alexander Bormann, président de l’entreprise, qui souhaite commencer à produire un engin de 100 kW avant de passer à des ailes de 2 MW. Mais pour l’instant, Enerkite en est toujours au stade du prototype.

Déjà des faillites

Alors que la plupart des entreprises du secteur ont émergé il y a une dizaine d’années, les mises sur le marché se font attendre et certaines, souvent les plus ambitieuses, ont déjà fait faillite. C’est notamment le cas de Makani, créée dès 2006 en Californie et qui avait pourtant bénéficié de budgets conséquents après son rachat par Google sept ans plus tard. Le concept était très différent de ses concurrents européens car l’électricité devait être produite par des turbines d’une capacité totale de 600 kW fixées sur l’aile qui volait par vent de travers sur une trajectoire circulaire. Un prototype d’aile de 28 m a été testé en vol en décembre 2016. Trois ans plus tard, le prototype est perdu lors d’un essai en mer et l’entreprise stoppe définitivement son activité en février 2020 malgré une prise de participation de Shell. « Malgré de forts progrès techniques, la route vers la commercialisation est plus longue et plus risquée que nous l’avions espéré », avait alors reconnu Eric Teller, en charge du projet pour Google.

Ampyx Power, une entreprise basée aux Pays-Bas, a également fait faillite l’année dernière. Lancée en 2008, elle a construit plusieurs prototypes en matériaux composites ressemblant à des planeurs et produisant l’électricité au sol. Le dernier développait une puissance de 200 kW pour une envergure de 12 m. La société souhaitait commercialiser au final des produits de 2 à 3 MW. En cas de vent dépassant les 80 mètres/seconde, un treuil devait ramener automatiquement la machine volante à terre. Toutefois, malgré une coopération avec l’énergéticien allemand E.ON pour construire un démonstrateur dans l’Atlantique au large de l’Irlande, un soutien financier de la Commission européenne dans le cadre du programme « Horizon 2020 » et des campagnes de financement participatif, ils ne verront jamais le jour.

Par manque de fonds, mais aussi de résultats probants. « Ces deux entreprises très ambitieuses souhaitaient concurrencer l’éolien classique en misant sur les fortes puissances. Mais c’est très compliqué techniquement d’autant plus qu’il faut se mesurer à des éoliennes qui produisent désormais à un prix très bas et qui sont très fiables techniquement après des décennies d’expérience », estime Olivier Normand, fondateur et PDG de Kitewinder, unique entreprise à proposer une éolienne aéroportée sur le marché. En outre, les constructeurs sont confrontés à des problèmes techniques et de vieillissement des matériaux. En volant par vent travers, les contraintes sont énormes et les durées de vie très courtes. Réussir à faire décoller et atterrir une voile de façon automatique est aussi un défi difficile à relever.

Un seul produit commercialisé

Pour arriver à ses fins, Kitewinder a pris le contrepied total de Makani et Ampyx Power. L’entreprise installée depuis 2016 près de Bordeaux n’a jamais souhaité concurrencer l’éolien sur mât. « Nous n’atteindrons jamais les puissances du grand éolien. Cela ne serait pas possible techniquement pour nous. De plus, les grands mâts de 200 m bénéficient déjà d’une ressource en vent qui permet de très bonnes performances », juge Olivier Normand. Lauréate du plan d’investissement d’avenir en 2017, elle a mis sur le marché dès 2020 la Kiwee One. Cet appareil est extrêmement compact. Il rentre dans un sac à dos de 30 litres. Il suffit d’assembler l’hélice qui est reliée à la génératrice elle-même attachée au sol et de lancer la voile monofil. L’hélice tourne, entraîne une poulie dont le mouvement est transmis jusqu’à la génératrice via une courroie d’une centaine de mètres servant à transporter le courant et à retenir la voile.

S’il y a plus de production que de consommation, une petite batterie peut stocker un peu d’électricité. Sans vent, l’aile se pose automatiquement à 5 m autour du point d’attache. Cette éolienne de cinq kilogrammes environ et de 400 W de capacité est destinée aux personnes en itinérance ou pour apporter un peu d’électricité dans des zones non connectées. Toutefois, l’ambition initiale de Kitewinder était plus grande. « À la base, nous souhaitions développer un équipement plus gros et plus puissant destiné à des communautés isolées de quatre à dix personnes. Nous gardons toujours cet objectif mais nous n’avons pas de marché suffisant pour y arriver ni de subventions pour nous aider », reconnaît le PDG de la société.

Le manque d’investissement plombe en effet les constructeurs alors que les défis techniques à régler restent nombreux. Ils tentent donc de se structurer en filière, même si celle-ci reste toujours embryonnaire. Dans cette optique, ils ont créé Airborne Wind Europe. L’association basée à Bruxelles entend encourager la collaboration et les échanges entre constructeurs, décideurs, administrations, fournisseurs, milieux académiques, investisseurs et institutions financières. « Cinq milliards d’euros de soutien public sont nécessaires pour permettre à l’éolien aéroporté de décoller. […] Avec cette aide, son coût serait au niveau de l’éolien classique vers 2036 », estime Airborne Wind Europe. Mais l’argent seul ne suffira pas. Il faudra aussi travailler sur la réglementation qui relève des autorités aériennes. Et convaincre que ces engins sont sûrs. En effet, que se passerait-il si une voile de plusieurs tonnes s’écrasait ou si le câble qui la retient lâchait ? D’autant plus que les contraintes mécaniques sont importantes… Les défis sont donc nombreux et la route encore longue avant un potentiel essor de ces technologies.