Les éoliennes de puissance inférieure à 10 kW sur les bâtiments

Après avoir évoqué le photovoltaïque en toiture, puis le photovoltaïque en façade, nous nous penchons dans cet article sur les éoliennes urbaines de moins de 10 kW, installées en toiture des bâtiments.

Il existe une norme internationale – IEC 61400-2 – qui décrit les éoliennes. Consultable sur le site de l’IEC (International Electrotechnical Commission ou Commission Electrotechnique Internationale), cette norme de 23 pages décrit les "petites éoliennes" comme celles dont la surface de rotor balayées est ≤ 200 m², soit un diamètre de rotor de 16 m et une puissance d’environ 50 kW.

Les éoliennes auxquelles nous nous intéressons sont bien plus petites : 0,3 m < Ø < 1 m pour 0,3 à 1 kW et jusqu’à 1 m < Ø < 10 m pour 1 à 10 kW. Nous abordons également d’autres formes d’éoliennes, dont les Windbox de la start-up française Wind my Roof.

HAWT ou VAWT ?

On peut classer les éoliennes urbaines en deux principaux groupes en fonction de l’axe de leur rotor : axe horizontal (Horizontal Axis Wind Turbine ou HAWT) ou axe vertical (Vertical Axis Wind Turbine ou VAWT).

Les machines à axe horizontal, parallèle au vent, ont un rotor au vent (vent de face), sous le vent (vent vient de l’arrière du rotor) ou bien sont carénées.

Les éoliennes à axe vertical possèdent un rotor tournant sur un axe perpendiculaire à la direction du vent. ©PP

Les éoliennes à axe vertical relèvent principalement de l’une des trois catégories suivantes :

• les éoliennes à axe vertical Savonius possèdent des pales en forme de S,
• les éoliennes Darrieus – dont le dispositif a été breveté en 1931 par Georges Darrieus, un ingénieur aéronautique français – sont équipées de pales incurvées, symétriques.
• les éoliennes à pales hélicoïdales sont une évolution de l’architecture Darrieus, apparue en 1995. La forme hélicoïdale réduit les vibrations, donc le bruit, tout en améliorant le rendement.

On rencontre également des éoliennes hybrides qui soit associent une architecture Darrieus et des modules Savonius, soit associent éoliennes à axe vertical et panneaux photovoltaïques.

Les éoliennes à axe horizontal affichent de meilleurs performances, mais sont plus bruyantes, sont conçues pour des plages de vent restreintes et demeurent difficiles à aligner avec le vent. Les éoliennes à axe vertical sont plus silencieuses, s’intègrent mieux sur les bâtiments, mais affichent des performances plus réduites et requièrent un dispositif de démarrage.

Bruit et vibrations

De nombreux bâtiments se sont équipés d’éoliennes, principalement à axe horizontal, puis les ont déposées car le bruit et les vibrations devenaient insupportables.

Le siège de Greenpeace à Hambourg était équipé de trois éoliennes à axe vertical de 5 kW de puissance unitaire. Elles ont été déposées au bout de trois ans d’exploitation. Leurs vibrations mettaient en danger la structure du bâtiment. ©PP

Le bruit affecte les occupants du bâtiment et, surtout, le voisinage. Il est produit à la fois par le frottement des lames dans l’air et par le générateur qui transforme le mouvement en électricité. Le bruit peut être réduit en choisissant un modèle d’éolienne à faible vitesse de rotation.

Les vibrations peuvent se communiquer au bâtiment et provoquer des fissurations et mettre en danger sa stabilité. Il est prudent de retenir les services d’un bureau d’études, surtout si l’installation des éoliennes s’effectue sur un bâtiment existant qui n’a pas été prévu pour cela.

Ce BE devra s’assurer que le bâti est adapté, prendre en compte la surcharge et l’effet d’arrachement, envisager des moyens de réduire les vibrations : silent-blocks, caisson d’isolement du mât, toiture en dalle béton, …

Selon le guide Bâtiment Durable de la région de Bruxelles, le coût d’installation d’une micro-éolienne, selon le modèle et le type d’installation, varie entre 5000 et 10 000 € par kW de puissance. Le coût de maintenance annuel est évalué à environ 3% du montant de l’investissement. La maintenance porte à la fois sur le fonctionnement de l’éolienne et sur la vérification de son accrochage.

Dans tous les cas, une étude préalable est nécessaire. Elle porte sur les vents dominants du lieu envisagé, leur vitesse, leur stabilité, leur direction, … Selon les différentes technologies d’éoliennes, une entreprise spécialisée, comme les français énerlice ou Diwatt, est capable d’accomplir toutes les études et d’envisager toutes les démarches administratives.

La règlementation française  sur l’installation des petites éoliennes porte plutôt sur les modèles classiques à axe horizontal sur mât et n’envisage pas vraiment les solutions carénées, ni les éoliennes à axe vertical en toiture.

Trois offres françaises : Wind my Roof, Unéole et E-Taranis

Nous avons identifié trois offres françaises particulièrement intéressantes, émanant de start-ups. La WindBox de Wind my Roof est un modèle hybride qui associe éolienne carénée et modules photovoltaïques.

Nous avons rencontré Wind my Roof pour la première fois au salon Viva Technologies à Paris. L’entreprise propose la WindBox, une solution hybride éolien + PV. ©PP / Wind my Roof

Placée sur l’arête des bâtiments, l’éolienne de toiture WindBox bénéficie des vents accélérés et d’une bonne exposition au soleil. La WindBox est un module compact qui occupe 4m² pour 1,6m de hauteur. ©Wind my Roof

La WindBox a été développée avec l’aide de l’APAVE et du CSTB, et testée sous conditions climatiques extrêmes. Ses systèmes de sécurité automatiques assurent une tenue jusqu’à 180 km/h de vent et -15°C. La WindBox est fabriquée en France à 92% et, en fonction des résultats préliminaires de l’étude d’ACV en cours, elle affiche une empreinte carbone de seulement 25 g CO2eq/kWh produit durant 20 ans.

Elle possède les caractéristiques techniques suivantes : turbine éolienne de 1500 W, panneaux solaires photovoltaïque de 750 Wc, vitesse de démarrage de 4 m/s pour la turbine, coupure à partir d’un vent de 25 m/seconde, poids de la machine 300 kg, poids av ec lest 700 à 900 kg.

Wind my Roof envisage une production annuelle nominale de 2000 kWh éoliens, plus 800 kWh PV, soit jusqu’à 2800 kWh par WindBox. Selon les besoins du bâtiment et en fonction de la tenue mécanique de la toiture, il est possible d’installer plusieurs WindBox en toiture.

La solution d’Unéole, créée en 2014, s’inspire des mêmes principes. Pour les toitures terrasse, l’entreprise propose l'ajout d'un étage qui consiste en une plateforme énergétique mixte, composées d’éoliennes de toiture, recouvertes d’une toiture photovoltaïque.

Unéole se charge de l’ensemble des études préalable, tant techniques qu’administratives, assure la pose et la maintenance de ses installations. Pour une toiture de 1000 m², Unéole envisage, en condition optimale, une production de 10 MWh/an avec 12 de ses éoliennes urbaines. ©Unéole

Enfin E-Taranis, créée en 2021, propose l’éolienne Alae : très légère, d’une puissance nominale de 2 kW environ, sans bruit ni vibration. Elle s’installe en toiture, en pignon, au sol sur un mât plus haut, …

Alae démarre seule à partir d’un vent de 10 km/heure. Elle occupe un volume de 3 x 3 m et est commercialisée à 11 500 € HT, hors installation. Les premières ont été installées en décembre 2022 sur un bâtiment municipal à Saint-Jean-de-Luz (64). D’autres ont été livrées à la ville de Cibourne, à la brasserie Burel de Tarnos et à quelques particuliers. ©E-Taranis