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Alors que les éoliennes peuvent provoquer un réchauffement local du sol en aval d'un parc éolien, elles provoquent un refroidissement net du climat en moyenne mondiale. Les raisons sont les suivantes.
Les eoliennes extraient l'énergie cinétique du vent et la convertissent en électricité. L'électricité se dissipe en chaleur. La chaleur fait monter l'air. Ainsi, la chaleur est partiellement convertie en énergie potentielle gravitationnelle (EPG). Les différences d'EPG recréent une certaine énergie cinétique, mais le résultat net des éoliennes est de réduire l'énergie cinétique et la vitesse du vent. La réduction de la vitesse du vent réduit la vapeur d'eau, ce qui permet à davantage de rayonnement infrarouge thermique (TIR) de s'échapper vers l'espace, refroidissant ainsi la surface de la Terre.
Les éoliennes extraient l'énergie cinétique du vent, ce qui réduit la vitesse du vent en aval d'un parc éolien. Une réduction de la vitesse du vent réduit l'évaporation de l'eau liquide du sol ou d'un plan d'eau. L'évaporation étant un processus de refroidissement, une réduction de l'évaporation réchauffe le sol ou la surface de l'océan ou d'un lac. Certaines études ont révélé une augmentation de la température du sol à proximité d'un parc éolien (par exemple, Zhou et al., 2019).
Normalement, la vapeur d'eau présente dans l'air devrait se condenser pour former des nuages. Cependant, comme les éoliennes réduisent l'évaporation, il y a moins de condensation et de formation de nuages. Comme la condensation libère de la chaleur dans l'air, moins de condensation refroidit l'air.
En outre, comme une éolienne ralentit le vent dans son sillage, elle fait baisser la pression de l'air dans son sillage. Une pression plus faible diminue la température, comme en témoigne l'augmentation de l'épaisseur du brouillard dans le sillage des turbines du parc offshore de Horns Rev (Hasager et al., 2013). L'augmentation de l'épaisseur du brouillard résulte d'une légère augmentation de l'humidité relative dans le sillage d'une turbine lors d'une légère baisse de la température, due à la baisse de la pression.
Le réchauffement du sol (dû à la réduction de l'évaporation) et le refroidissement de l'air (dû à la réduction de la condensation et à la baisse de température dans le sillage de la turbine) s'annulent effectivement dans la moyenne mondiale.
Cependant, la vapeur d'eau est un gaz à effet de serre qui piège le rayonnement thermo-infrarouge (TIR) émis par la surface de la Terre, dans la basse atmosphère. Ainsi, moins de vapeur d'eau signifie que le rayonnement TIR peut maintenant s'échapper vers la haute atmosphère ou l'espace. Le retrait net d'énergie de la basse atmosphère par les éoliennes grâce à ce mécanisme provoque un refroidissement global net. Cependant, ce refroidissement n'est mesurable qu'avec un grand nombre de turbines.
Les éoliennes provoquent d'autres impacts qui affectent les températures, mais l'effet de la vapeur d'eau domine. Par exemple, les éoliennes convertissent l'énergie cinétique en électricité. L'électricité se dissipe en chaleur, ce qui augmente l'énergie interne de l'air, faisant ainsi augmenter la température de l'air. Cependant, une partie de cette température de l'air plus élevée est utilisée pour soulever l'air, convertissant l'énergie interne en énergie potentielle gravitationnelle (EPG). Les différences d'EPG sur une distance horizontale reproduisent une certaine énergie cinétique, donc des vents.
Ainsi, si la vapeur d'eau n'était pas un facteur dominant (par exemple, si aucun rayonnement TIR ne fuyait vers l'espace en raison de la réduction de la vapeur d'eau par les éoliennes), la production d'électricité par les éoliennes (et d'autres sources d'électricité) pourrait augmenter légèrement les températures. Cependant, en l'absence d'éoliennes, l'énergie cinétique du vent se dissiperait également en chaleur. Cela est dû au fait que les vents se heurtent aux rochers, aux arbres, aux maisons, aux vagues et au sol. La friction qui en résulte convertit l'énergie cinétique en chaleur. Cette dissipation se produit sur une période plus longue que la dissipation causée par l'extraction d'énergie par les éoliennes suivie de l'utilisation d'électricité.
Les figures 1 et 2 montrent des résultats supplémentaires obtenus à partir de deux des simulations mondiales qui ont été utilisées pour calculer la puissance maximale extractible dans l'atmosphère par les éoliennes à une hauteur donnée. Chaque figure montre la différence de vapeur d'eau et de température lorsque des éoliennes couvrant soit tous les océans et toutes les terres du monde (figure 1), soit toutes les terres du monde en dehors de l'Antarctique (figures 1 et 2) sont présentes ou absentes. Les résultats représentent l'impact des éoliennes sur la vapeur d'eau ou la température.
Figure 1
Figure 2
La figure 1 indique que les éoliennes ont réduit la vapeur d'eau proche de la surface de 4 à 13 % dans le cas global et de 2 à 5 % dans le cas terrestre. La figure 2a indique que la réduction de la colonne de vapeur d'eau dans le cas terrestre était de 4,7 pour cent. La réduction de la vapeur d'eau a entraîné une réduction de la température de l'air proche de la surface de 0,44 K en moyenne mondiale dans le cas des terres (figure 2b).
Alors que les simulations de turbines mondiales et terrestres dont nous venons de parler sont des cas extrêmes qui ne se réaliseront jamais sur Terre, la figure 3 montre les résultats d'une paire de simulations plus réalistes. Dans cette paire, 2,5 millions de turbines de 5 MW sont réparties dans 139 pays pour fournir 37,1 % de l'énergie mondiale à usage général en 2050, après que tous les secteurs énergétiques aient été électrifiés. La figure 3 indique que, dans ce cas, les éoliennes ont réduit la colonne de vapeur d'eau de 0,29 kg/m2 et les températures moyennes mondiales de l'air proche de la surface d'environ 0,03 K. Ce changement de température représente environ 3 pour cent du réchauffement climatique de 1 K jusqu'en 2020. Ainsi, les éoliennes qui alimentent 37,1 % de l'énergie finale mondiale en 2050 peuvent directement réduire de l'ordre de 3 % le réchauffement climatique net (Jacobson et al., 2018a).
Figure 3
En somme, avec l'énergie éolienne installée nécessaire à l'humanité en 2050, les éoliennes peuvent servir un avantage supplémentaire au-delà du remplacement de l'électricité provenant des combustibles fossiles polluants. Elles peuvent également refroidir directement la surface, réduisant ainsi le réchauffement climatique au-delà de celui causé par leur réduction des émissions de gaz à effet de serre.
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