L'impact de la conception de turbines sur la sécurité des oiseaux et des chauves-souris

L'impact de la conception de turbines sur la sécurité des oiseaux et des chauves-souris

L'énergie éolienne est devenue une pierre angulaire de la transition mondiale vers l'énergie renouvelable, mais son déploiement rapide a suscité de graves préoccupations quant à ses effets sur la faune, en particulier les oiseaux et les chauves-souris. Les collisions avec des pales à turbine, le barotrauma résultant de changements de pression rapides à proximité des pales mobiles et le déplacement de l'habitat comptent parmi les impacts documentés. Bien que le risque global pour la plupart des populations d'oiseaux soit relativement faible par rapport à d'autres menaces anthropiques telles que les impacts de construction et les chats domestiques, l'effet cumulatif des grands parcs éoliens peut être important pour certaines espèces vulnérables, y compris les rapaces et les chauves-souris migratrices.

Cet article explore les caractéristiques spécifiques de la conception qui influencent le risque de collision, examine les stratégies novatrices mises à l'essai et déployées à l'échelle mondiale et offre un regard équilibré sur la façon dont l'industrie éolienne évolue pour mieux coexister avec le monde naturel.

Caractéristiques clés du design de turbine qui affectent la faune

Chaque attribut physique et opérationnel d'une éolienne peut augmenter ou diminuer la probabilité qu'un oiseau ou une chauve-souris rencontre une lame. Les facteurs les plus importants sont la géométrie de la lame, la vitesse de rotation, la hauteur et la conception de la tour, l'éclairage et la présence de technologies de dissuasion.

Forme, longueur et rapport d'aspect de la lame

La lame est la partie de la turbine qui interagit le plus directement avec les animaux volants. Les lames modernes sont longues, minces et très aérodynamiques, conçues pour maximiser la capture d'énergie à basse vitesse du vent. Du point de vue de la faune, les lames plus longues balayent une plus grande zone et tournent à des vitesses de pointe plus élevées, ce qui peut augmenter la probabilité de collision. Cependant, la relation n'est pas simplement linéaire. Les lames plus longues ont aussi une vitesse de rotation plus lente (RPM) pour maintenir des vitesses de pointe sûres, et le diamètre plus grand augmente le risque qu'un animal puisse voler entre les lames sans contact.

Des études menées au Laboratoire national des énergies renouvelables (NREL) et ailleurs ont montré que la modification de la forme de la pointe de la lame, qui la rend plus arrondie ou ajoute des serrations, peut modifier le débit d'air et réduire la différence de pression qui provoque le barotraumatisme chez les chauves-souris.

Couleur de la lame et marquages

La plupart des turbines du monde sont peintes avec un gris clair uniforme (RAL 7035 ou similaire), qui se mélange dans le ciel et le fond. Cela rend les lames moins visibles pour les oiseaux, en particulier les rapaces qui chassent en balayant le sol et l'horizon. La peinture d'une ou deux lames de couleur contrastante, comme le noir, le rouge ou l'orange, a été montrée dans de nombreuses études pour réduire les collisions d'oiseaux de jusqu'à 70%.

• Lame noire unique:[ Le modèle le plus largement étudié. Une étude de 2020 au parc éolien de Smøla en Norvège a révélé que la peinture d'une lame noire a réduit les pertes en aigle de plus de 70% par rapport aux turbines à rayons.
• Des motifs de spirale noir et blanc:[ Certains projets ont essayé des spirales ou des rayures sur la racine de la lame (la section la plus proche du moyeu) pour augmenter la perception du mouvement, bien que les résultats soient mitigés.
• Revêtements UV-réfléchissants:[ Les oiseaux peuvent voir la lumière ultraviolette; l'application de peinture UV-réfléchissante aux lames peut les rendre plus brillants et plus solides aux yeux des oiseaux.

Pour les chauves-souris, qui dépendent fortement de l'écholocalisation et qui sont souvent à proximité, les marques visuelles peuvent être moins efficaces.

Vitesse et inclinaison de rotation

La vitesse de pointe, à laquelle le point extrême d'une lame se déplace dans l'air, est l'un des plus forts prédicteurs du risque de mortalité. Une turbine moderne typique a une vitesse de pointe de 60 à 90 m/s (135 à 200 mph). À ces vitesses, peu d'oiseaux ou de chauves-souris peuvent réagir assez rapidement pour éviter une collision.

Cela a conduit à la pratique de réduction opérationnelle[, où les turbines sont programmées pour réduire les pales RPM ou plumes (tourner parallèlement au vent) pendant les périodes à risque élevé, comme:

• Migration des oiseaux au printemps et à l'automne
• pics d'activité des chauves-souris (nuits chaudes, à vent bas de juillet à octobre)
• Conditions de vent bas lorsque les chauves-souris sont plus actives
• Temps où le radar détecte de grands troupeaux

Les systèmes de réduction intelligents peuvent ajuster automatiquement la vitesse de la turbine en fonction des données des capteurs en temps réel, en minimisant les pertes d'énergie tout en maximisant la protection de la faune. Par exemple, le Bat Conservation International[ et plusieurs exploitants éoliens ont des algorithmes co-développés qui augmentent la vitesse du vent coupé (la vitesse à laquelle les pales commencent à tourner) pendant les heures d'activité des chauves-souris, ce qui permet de réduire jusqu'à 50 % les décès avec moins de 1 % de perte d'énergie annuelle.

Hauteur de la tour et éclairage

Les tours de Taller (souvent supérieures à 100 mètres de hauteur du moyeu) placent les pales dans des vitesses de vent plus élevées, mais aussi dans l'espace aérien utilisé par les oiseaux chanteurs et les chauves-souris migrateurs.

Les feux rouges éclairants attirent les oiseaux chanteurs en migration nocturne et les font tourner en cercle ou se heurter, surtout en mauvaise visibilité. La FAA et les organismes correspondants d'autres pays permettent maintenant des feux rouges non clignotants et à combustion constante à une intensité plus faible, dont les études ont montré que l'attraction et les collisions des oiseaux sont réduites de 50 à 70 %. Certaines turbines plus récentes sont équipées de feux à déclenchement radar qui ne s'activent que lorsqu'un aéronef approche, réduisant davantage la pollution lumineuse.

Technologies innovantes pour la dissuasion de la faune

Au-delà des modifications de conception de base, une série croissante de technologies de pointe est mise à l'essai pour dissuader activement les oiseaux et les chauves-souris d'approcher les turbines.

Déterrents acoustiques ultrasoniques

Les chauves-souris utilisent l'écholocation pour naviguer et chasser. L'émission de sons à haute fréquence (habituellement de 20 à 100 kHz) d'une turbine peut confondre ou repousser les chauves-souris sans affecter les oiseaux (la plupart des oiseaux ne peuvent pas entendre les ultrasons). Plusieurs systèmes commerciaux, comme Bat Deterrent Technology by NRG Systems[, ont montré une réduction de 40 à 60 % des décès des chauves-souris dans les essais sur le terrain dans les parcs éoliens aux États-Unis et au Canada.

Systèmes de guidage par radar

Lorsqu'un troupeau ou un animal individuel entre dans une zone définie, le système envoie un signal au contrôleur de turbine pour ralentir ou arrêter les pales. Ces systèmes « de queue sur demande] ont été déployés dans des parcs éoliens offshore comme Offshore Wind Farm Egmond aan Zee (OWEZ) aux Pays-Bas et sur des sites terrestres au Royaume-Uni et aux États-Unis. Un avantage majeur est que la perte d'énergie est minime parce que les turbines ne réduisent que lorsque les animaux sont effectivement présents.

Les détrents visuels sur le Turbine Itself

Plusieurs moyens de dissuasion visuelle ont été essayés, avec un succès mitigé :

• Les miroirs ou bandes réfléchissantes montés sur la lame peuvent surprendre les animaux mais peuvent se dégrader rapidement et perdre de l'efficacité.
• Feux UV clignotants sur la nacelle: Les oiseaux voient les UV, mais les chauves-souris sont moins réactives.
• Des motifs peints sur la nacelle: La nacelle (le logement en haut) peut être peinte avec un motif d'oeil prédateur ou de gros pois pour imiter un oiseau de proie. Une étude de 2013 en Norvège a réduit les décès d'aigle de 60% quand une turbine avait un «falcon oeil» peint sur la nacelle.

Innovations en forme de lame : Bords déraillés et générateurs de tourbillon passif

Les premières données indiquent que ces déchirures peuvent perturber les zones de basse pression qui causent le barotraumatisme chez les chauves-souris. Certains fabricants, dont Siemens Gamesa, offrent maintenant des lames avec des caractéristiques telles que des améliorations optionnelles. De même, les générateurs de vortex passifs (petites nageoires) peuvent modifier le débit d'air sur la surface de la lame, ce qui peut réduire le différentiel de pression à l'extrémité de la lame.

Études de cas et résultats sur le terrain

Les données réelles provenant des parcs éoliens en exploitation fournissent les preuves les plus solides pour lesquelles les changements de conception fonctionnent.

Ferme éolienne de Smøla, Norvège: Retrofits de lame noire

Dans l'une des études les plus citées, les chercheurs ont peint une lame noire sur quatre des 68 turbines du parc éolien de Smøla. Plus de trois ans et demi de surveillance, les turbines peintes ont enregistré une réduction de 70,6 % des décès par les aigles à queue blanche par rapport aux témoins non peints. L'étude a conclu que le contraste visuel a augmenté la perception de l'oiseau de la lame comme un obstacle, ce qui les a fait éviter la zone balayée.

Caselman Wind Farm, Pennsylvanie: Curiosité pour les chauves-souris

Une étude menée au parc éolien de Casselman a utilisé une combinaison de réduction (la vitesse de réduction est passée de 3,5 m/s à 5,0 m/s) et de dissuasion par ultrasons. Au cours de l'essai de deux ans, les décès par chauves-souris ont diminué de 50 % avec réduction seule et de 72 % avec échographie.

Fermes éoliennes offshore : fermetures à rafales

Au parc éolien offshore OWEZ aux Pays-Bas, un système radar (système de radar de Robin) a été installé pour détecter les troupeaux d'oiseaux. Lorsque les oiseaux se sont approchés à moins de 500 mètres, des turbines ont automatiquement été mises en place et des RPM ont été réduits. Le système s'est révélé efficace pour prévenir les collisions, bien qu'il ait fallu un calibrage minutieux pour éviter les fausses alarmes de la pluie et des vagues.

Politique et réglementation

De nombreux pays exigent maintenant des évaluations de l'impact sur la faune avant la construction d'un parc éolien et exigent une surveillance après la construction.

• États-Unis: Les Fish and Wildlife Service=Les lignes directrices sur l'énergie éolienne basées sur la terre recommandent de réduire la durée de la migration des chauves-souris pour de nouveaux projets.
• Union européenne: La stratégie de l'UE pour la biodiversité pour 2030 encourage les États membres à adopter des conceptions de turbines respectueuses des oiseaux. L'Allemagne et la France ont financé des recherches sur les facteurs de dissuasion ultrasonore et les marquages des pales.
• Norvège: L'Agence norvégienne pour l'environnement charge désormais la peinture de la lame noire pour toutes les nouvelles éoliennes dans les zones où nichent des aigles à queue blanche.
• Canada: Le Service canadien de la faune a publié un document sur les meilleures pratiques de gestion qui inclut les systèmes de restriction opérationnelle et les systèmes radar comme mesures d'atténuation préférées.

Des programmes de certification volontaires tels que la Notification de conservation de la faune de l'American Bird Conservancy (disponible à abcbirds.org[) aident les développeurs à choisir des modèles de turbine qui ont été testés de façon indépendante pour la sécurité de la faune.

Défis et orientations futures

En dépit des progrès accomplis, plusieurs obstacles subsistent. Premièrement, le coût de la modernisation des turbines existantes avec de nouvelles lames, peintures ou capteurs peut être important, souvent de 50 000 $ à 200 000 $ par turbine. Deuxièmement, l'efficacité de nombreuses mesures d'atténuation varie selon la région, les espèces et les conditions météorologiques; ce qui fonctionne pour les chauves-souris en Pennsylvanie peut ne pas fonctionner pour les populations de chauves-souris au Texas.

La recherche se dirige vers des conceptions spécifiques aux espèces[ — la géométrie, la couleur et l'exploitation des pales en fonction des espèces les plus vulnérables d'une région donnée. Par exemple, les parcs éoliens offshore de la mer Baltique expérimentent des pales jaunes, qui présentent un contraste plus élevé avec la mer et le ciel gris-bleu que le noir ou le blanc. Un autre concept émergent est l'éolienne à axe vertical , qui a généralement une vitesse de rotation plus lente et un rotor plus compact, ce qui peut représenter moins de risques pour les oiseaux.

Le Laboratoire national des énergies renouvelables (NREL) continue de mener des recherches sur les revêtements de lames qui dégagent une odeur non toxique qui repousse les chauves-souris (dissuasives odorantes), ainsi que sur les caméras thermiques qui peuvent détecter les oiseaux migrateurs à de longues distances et déclencher une réduction automatique.

Conclusion

La conception de turbines n'est pas un détail mineur dans le conflit entre le vent et la vie sauvage, c'est l'un des outils les plus puissants que nous ayons pour réduire les décès. Des mesures simples comme la peinture d'une seule lame noire, l'élévation des vitesses de coupe pendant les saisons de chauves-souris, l'installation de moyens de dissuasion ultrasoniques et l'amélioration de l'éclairage peuvent réduire les décès par collision de 50 à 75 %, ce qui a un impact minime sur la production d'énergie.

Le secteur de l'énergie éolienne a déjà démontré qu'il peut être un intendant responsable des paysages où il opère. En adoptant des améliorations de conception fondées sur des données probantes, l'industrie peut établir une norme mondiale pour la coexistence avec la faune et la flore sauvages, prouvant que l'énergie propre et les écosystèmes sains ne sont pas des objectifs mutuellement exclusifs.