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Le 13/06/2023 par Jordan M

Filières de recyclage des énergies renouvelables (2/2) : comment gérer les déchets et assurer le recyclage des éoliennes ?

Les énergies renouvelables, telles que l’énergie solaire, éolienne, hydraulique et le biogaz, jouent un rôle crucial dans la transition mondiale vers un avenir énergétique plus propre et plus durable.

Ces sources d’énergie, respectueuses de l’environnement, sont essentielles pour réduire les émissions de gaz à effet de serre, atténuer le dérèglement climatique et diversifier notre approvisionnement. Cependant, à mesure que ces technologies se développent et se déploient à grande échelle, la question de leur fin de vie est primordiale.

De nombreuses fausses rumeurs courent sur les capacités de recyclage des EnR qui, dans leur globalité, auront toujours des externalités négatives bien moindres que les énergies fossiles. Par souci de transparence, nous souhaitons pouvoir discuter aussi bien des aspects positifs que des voies d’amélioration qu'il reste encore à parcourir dans ce domaine.

Si nous sommes persuadés qu’elles seront la pierre angulaire de la transition écologique, les énergies renouvelables restent perfectibles et nous souhaitons mettre à disposition notre plateforme de financement participatif pour les rendre toujours plus vertueuses.

Voici le second article de notre dossier thématique dédié au recyclage des EnR : comment gérer les déchets et assurer le recyclage des équipements éoliens ?

Les matériaux des éoliennes et les enjeux du recyclage
Le recyclage d’une éolienne en 5 étapes
Recyclage de l’acier
Recyclage du béton
Recyclage des matériaux composites contenus dans les éoliennes
Vers une remplacement des terres rares contenues dans les éoliennes ?
Autres matériaux contenus dans les équipements électroniques
Réglementations et normes pour le recyclage des éoliennes
Initiatives et innovations pour le recyclage des éoliennes
Le crowdfunding éco-responsable : un catalyseur pour financer les énergies renouvelables et les recherches en matière de recyclage

Les matériaux des éoliennes et les enjeux du recyclage

En moyenne, la durée de vie d'un parc éolien est comprise entre 20 et 25 ans. Différents facteurs agissent cependant sur sa durabilité. Vents violents, tempêtes, foudre, usure, corrosion, humidité, salinité (surtout en milieux marins), peuvent détériorer certains mécanismes à long terme.

Pour bien comprendre comment se recycle une éolienne, il faut savoir qu’elle est constituée de quatre éléments principaux : le rotor, la nacelle (qui abrite le générateur), la tour et les fondations. Les pales du rotor sont principalement fabriquées à partir de fibre de verre, tandis que la nacelle et la tour sont généralement construites en acier. Les fondations, quant à elles, sont réalisées en béton armé (béton + acier).

Si la majorité du volume des éoliennes est recyclable (90% en moyenne), certains de leurs matériaux posent encore des défis environnementaux. Les pales sont particulièrement difficiles à recycler en raison des matériaux composites qu’elles contiennent.

De plus, les matériaux tels que l'acier et le béton, bien que recyclables, sont parmi les plus polluants du monde, représentant chacun 7 % des émissions mondiales de CO2. Toutefois, et comme nous le verrons dans cet article, l'empreinte carbone d'une éolienne reste bien inférieure à l'exploitation des énergies fossiles.

Le recyclage d’une éolienne en 5 étapes

Lorsqu’une éolienne atteint la fin de sa durée de vie ou doit être remplacée, elle est démantelée. Avant de commencer le démantèlement, une planification minutieuse est nécessaire. Cela peut impliquer des études d'impact environnemental, l'obtention des permis nécessaires et la coordination avec les autorités locales. La première étape consiste généralement à retirer la nacelle, qui abrite le générateur et les composants électroniques de l'éolienne. Elle est généralement détachée de la tour à l'aide de grues ou d'autres équipements spécialisés. Les pales de l'éolienne sont généralement retirées après la nacelle. Une fois la nacelle et les pales enlevées, la tour peut être démontée.
Comme évoqué plus haut dans cet article, les pales des éoliennes sont généralement composées de fibres de verre ou d’autres matériaux composites. Certaines entreprises broient les pales en fragments plus petits, qui peuvent ensuite être utilisés comme matériaux de construction ou de remplissage. D’autres techniques cherchent à séparer les fibres de verre des résines pour permettre un recyclage plus efficace.
Les composants métalliques tels que l’acier ou l’aluminium des éoliennes peuvent être récupérés et recyclés. Cela peut inclure les éléments de la nacelle, les structures de support et les parties internes de la tour.
Les composants électroniques de l’éolienne, tels que les générateurs et les systèmes de contrôle, contiennent des métaux précieux et des substances potentiellement toxiques. Ils doivent être séparés et traités de manière appropriée pour être récupérés.
Les matériaux qui ne peuvent pas être recyclés ou réutilisés doivent être réparties dans des filières spécialisées. Ils sont soit éliminées soit transformées.

« Une éolienne de puissance moyenne de 3,6 MW pèse environ 1.500 tonnes. La masse de la machine se répartit essentiellement entre ses fondations en béton (environ 1.000 tonnes) et son mât en acier et/ou béton (450 tonnes).

Le Sénat estimait en 2019 que 40 % de l’acier produit en France provenait du recyclage de ferrailles récupérées. Quant au béton, il est recyclé et réutilisé à 78 % dans l’Hexagone, selon l’Union nationale des producteurs de granulats.

Les autres matériaux présents dans l’éolienne se concentrent dans les deux dernières parties de la machine : le rotor composé du moyeu et des pales, ainsi que la nacelle où a lieu la conversion électromécanique du vent en électricité.

Si le moyeu est constitué de fonte recyclable, les pales de l’éolienne sont faites de matériaux composites (fibres de verre, carbone, résine) et pèsent de 6 à 8 % de son poids total. Enfin, la nacelle est constituée de certains matériaux basiques et recyclables : acier, cuivre, matériaux électriques et électroniques…

Mais toutes les éoliennes n’utilisent pas la même technologie. La plupart fonctionnent grâce des alternateurs à multiplicateur, qui ne recèlent pas de matières particulièrement difficiles à traiter, mais d’autres recourent à une technique à entraînement direct avec aimant permanent.

Ces derniers contiennent des terres rares, néodyme et dysprosium, qui seront aussi présentes dans les futures éoliennes off-shore. Ces aimants permanents et les pales sont les deux éléments les plus difficiles à recycler aujourd’hui, alors que l’administration durcit l’obligation de démantèlement et de réutilisation des matériaux. » ¹

Recyclage de l’acier

L’énergie éolienne utilise une quantité significative d’acier estimé à environ 140 tonnes par MW éolien, ce qui équivaut à près de 400 tonnes par éolienne actuellement installée. L’acier est présent à la fois dans la structure de l’éolienne mais aussi dans le renforcement des fondations en béton (béton armé).

L’acier est l’un des matériaux les plus recyclés au monde. En France, environ la moitié provient de sources recyclées.²Il est, par ailleurs, recyclable à l’infini et ne perd pas ses propriétés.

Le recyclage de l’acier provenant du béton contenu dans les fondations, quant à lui, passe par une phase de concassage, de calibrage et de tri. Les ferrailles récupérées ainsi que l’acier provenant des tours des éoliennes sont fondues dans un four pour produire du minerai de fer.

Grâce à ces processus de recyclage, une grande partie de l’acier peut être réutilisée, contribuant ainsi à la durabilité et à l’efficacité des ressources dans l’industrie éolienne.

Recyclage du béton

Le processus de fabrication du béton implique l’utilisation de granulats de différentes tailles mélangés à un liant : le ciment. Généralement, la quantité de béton utilisée pour les éoliennes est d’environ 400 tonnes par MW, soit 1100 tonnes pour une éolienne. Si la majeure partie du béton est utilisée pour couler les fondations des éoliennes, une petite quantité se trouve également dans la base des mâts.

« À titre de comparaison, la quantité de béton utilisé pour les fondations d’une éolienne est à peu près équivalente à celle de 4 maisons de 70 m² en maçonnerie traditionnelle, soit environ 34 camions toupies. »³

Lorsqu’une éolienne est démantelée, le béton est broyé puis trié. Ce matériau recyclé peut ensuite être réutilisé comme granulats pour d’autres mélanges de béton, y compris celui utilisé pour la construction d’autres éoliennes.

Dans le cadre du renouvellement d’un parc éolien, il n’est pas toujours possible de réutiliser les fondations déjà existantes car les nouvelles éoliennes installées sont aujourd’hui plus puissantes et nécessitent une distance plus importante entre elles.

Même si l’emplacement était identique, la nouvelle éolienne nécessiterait une fondation de plus grande taille en raison de sa puissance accrue. L’agrandissement de la fondation existante n’est donc pas envisageable pour des raisons de sécurité.

Dans certains pays, comme en Allemagne, la dalle de béton est dynamitée afin que le sol soit débarrassé entièrement des fondations. Dans d’autres, elle est simplement recouverte de terre.

En France, l'arrêté pris le 22 juin 2020 et publié au journal officiel le 30 juin introduit l'obligation de démanteler la totalité des fondations (sauf dans le cas où le bilan environnemental est considéré comme défavorable.

Le pourcentage de béton recyclé pouvant être réutilisé dépend de plusieurs facteurs, notamment de la qualité du béton recyclé, de sa composition, des normes et des réglementations locales, ainsi que des exigences spécifiques du projet.

En règle générale, le béton recyclé peut être utilisé en remplacement partiel des granulats naturels dans les mélanges de béton, avec des taux de substitution variant généralement entre 20 et 60%.⁴

« Par leur taille, ces fondations ont un impact environnemental non négligeable. Si le béton, inerte, ne présente pas réellement de risque pour l’environnement, sa fabrication est particulièrement énergivore. On estime qu’une tonne de béton génère aujourd’hui 235 kg de CO2, et une tonne d’acier génère 585 kg de CO2. Ainsi, la fondation d’une éolienne est responsable de l’émission d’environ 155 tonnes de CO2. C’est autant que 700 000 km en voiture, selon le comparateur Impact CO2 de l’ADEME.

Toutefois, 155 tonnes de CO₂ équivalent également à 310 MWh d’électricité produite à partir de gaz fossile (500 g/kWh) ou 155 MWh à partir de centrales au charbon (1 000 g/kWh). Or, une éolienne de 2 MW produit normalement 4 100 MWh chaque année, en considérant le facteur de charge moyen de l’éolien terrestre en Europe entre 2018 et 2021 (23,5 %). Sa dette carbone est donc compensée en quelques mois ».⁵

Recyclage des matériaux composites contenus dans les éoliennes

Les pales des éoliennes sont principalement composées de fibres de verre liées par des matériaux composites tels que des résines. Bien que des fibres de carbone existent également, elles restent très limitées en raison de sa rigidité et de son coût.

Jusqu’à récemment, la réutilisation des fibres de verre était limitée en raison de l’impossibilité de les séparer après collage. Les pales ne pouvaient être réutilisées que dans leur forme d’origine.

Cependant, des progrès ont été réalisés par des industriels grâce à l’apparition d’une résine thermoplastique, capable de coller à température ambiante et permettant la construction de pièces recyclables.

Actuellement, la méthode de valorisation la plus courante pour les pales est l'incinération. Elles sont ensuite revalorisées comme des combustibles solides de récupération. Cependant, une innovation récente consiste à différencier la résine, qui brûle et produit de la chaleur récupérable, des fibres de verre qui sont incinérées. Ces dernières permettent d’obtenir une cendre riche en silice et en carbonate de calcium, qui peut remplacer une partie du sable et de la craie nécessaires à la fabrication du ciment.

Une autre méthode de valorisation moins courante consiste à broyer les pales et à les utiliser comme remblais. Etant un matériau inerte, cela ne pose pas de difficultés techniques particulières et engendre très peu de pollution.

Certains fabricants travaillent sur la conception de pales permettant la réutilisation des fibres de verre. Une technique consiste à séparer les fibres de verre (ou de carbone) de la résine époxy. Les fibres peuvent alors être recyclées directement, tandis que la résine époxy doit subir un traitement chimique pour être décomposée en composants de base similaires aux matériaux d’origine. Cette nouvelle matière sera ensuite utilisée pour créer de la résine époxy.

Vers un remplacement des terres rares contenues dans les éoliennes ?

Certaines éoliennes, en particulier en mer, utilisent des terres rares pour les aimants permanents de leurs générateurs. Il s’agit généralement d’éoliennes dites « à attaque directe ». Les terres rares posent des enjeux à la fois stratégiques et environnementaux : la Chine détient actuellement un quasi-monopole sur l’extraction de ces matériaux, et leur extraction a un impact sur les écosystèmes naturels en raison de leur faible concentration.

« À l’heure actuelle, les éoliennes contenant des aimants permanents sont largement minoritaires en France dans le parc installé (6,2 % au 31 décembre 2019). La consommation de terres rares dans l’éolien réside essentiellement dans l’utilisation d’aimants permanents pour l’éolien en mer qui est aujourd’hui la norme dans le monde.

D’ici 10 ans, selon une capacité éolienne en mer projetée à 120 GW dans le monde, le besoin représentera moins de 6% de la production annuelle en néodyme et environ 30% de la production annuelle en dysprosium. Néanmoins des solutions sans terres rares pour l’éolien en mer existent et se développent rapidement » ⁶.

Les terres rares ne sont pas intrinsèquement polluantes mais elles sont présentes dans la nature à des concentrations relativement faibles, ce qui signifie qu’il est nécessaire d’extraire et de traiter de grandes quantités de minerai pour les obtenir.

Les techniques d’extraction des terres rares peuvent impliquer l’utilisation de produits chimiques contaminant les sols, les eaux souterraines et les cours d’eau environnants.

Cependant, l’utilisation d’aimants à très haute performance contenant des terres rares telles que le néodyme et le dysprosium permet d’obtenir des gains de production électrique par rapport aux solutions sans aimants ou avec des aimants moins performants tels que les ferrites. À production équivalente, cette utilisation réduit considérablement les besoins en acier et en béton, ce qui se traduirait par un bénéfice environnemental global⁷. Il y a donc débat sur le sujet...

Toutefois, il semblerait que les chercheurs danois, à la pointe dans le domaine, se concentrent sur un usage de plus en plus modéré des terres rares :

« Des études sont actuellement menées pour diminuer la quantité de terres rares dans les éoliennes. Elles ont abouti notamment à la création de générateurs à aimants permanents avec multiplicateur de vitesse qui contiennent jusqu’à 85 % de terres rares en moins par rapport aux générateurs à aimants permanents à entraînement direct. Le Danemark a ainsi installé en février 2019 une éolienne qui utilise 100 fois moins de terres rares que celles traditionnelles.

De plus des solutions alternatives aux aimants permanents existent et permettent de supprimer totalement les terres rares de la composition d’une éolienne, y compris en mer, comme par exemple les générateurs sans aimants permanents (asynchrones ou synchrones à excitation bobinée) qui ne contiennent pas de terres rares.

L’avènement des matériaux supraconducteurs et la commercialisation des aimants permanents sans terres rares à base de ferrite devraient pouvoir changer la donne dans les années à venir ».

En attendant, il est nécessaire de prendre en charge le recyclage des terres rares lorsque les éoliennes arrivent en fin de cycle. Après usage, les composants sont donc soumis à des traitements chimiques pour séparer les différentes terres rares entre elles et en éliminer les impuretés. Des procédés tels que la lixiviation, l'extraction par solvant et la précipitation sélective sont utilisés.

Les terres rares obtenues à partir du traitement chimique subissent ensuite un processus de raffinage pour obtenir des terres rares de haute pureté.

Les terres rares recyclées et raffinées peuvent être utilisées pour la fabrication de nouveaux produits, tels que des aimants permanents, des batteries rechargeables, des écrans d'affichage, des lampes et d'autres composants électroniques.

Autres matériaux contenus dans les équipements électroniques

Une éolienne contient des équipements électriques et électroniques, comme les transformateurs ou des onduleurs. La gestion des déchets d’équipements électriques et électroniques est encadrée par des directives européennes et le Code français de l’environnement.

Depuis 2005, les producteurs sont responsables de leur enlèvement et de leur traitement. Du fait de filières industrielles bien structurées, ces matériaux se recyclent très bien, notamment l’or, l’argent et le platine qu’ils contiennent.

Réglementations et normes pour le recyclage des éoliennes

En France, un arrêté du 22 juin 2020 a modifié les prescriptions relatives aux installations éoliennes relevant du régime d'autorisation dans le cadre de la législation des installations classées pour la protection de l'environnement (ICPE).

Ce texte introduit de nouvelles dispositions, notamment sur les règles de sécurité, les distances d'éloignement, l'obligation de démantèlement des fondations en fin de vie du parc et des objectifs de traitement des déchets.

Cet arrêté a introduit des modifications significatives concernant les éoliennes. Auparavant, la règle se limitait généralement à l’enlèvement du premier mètre des fondations en béton armé. Désormais, l’arrêté imposé le démantèlement intégral des fondations.

Selon cette réglementation, à partir du 1er juillet 2022, au moins 90% de la masse totale des éoliennes, y compris les fondations, doivent être démantelées. Il est également requis de réutiliser, recycler ou valoriser les déchets de démolition et de démantèlement. En cas d’impossibilité, ces déchets doivent être éliminés dans des filières dûment autorisées.

À compter du 1er janvier 2024, les nouvelles installations devront atteindre un taux de réutilisation ou de recyclage de 95% de leur masse totale.

Par ailleurs, l’arrêté établit des exigences spécifiques pour les rotors. À partir du 1er juillet 2022, au moins 35% de la masse des rotors doivent être réutilisés ou recyclés.

Pour les nouvelles installations, ces exigences passeront à 45% de la masse des rotors réutilisables ou recyclables le 1er janvier 2023, puis à 55% le 1er janvier 2025. ⁷

Les solutions actuelles et futures de réutilisation ou recyclage des différents matériaux constitutifs des éoliennes sont analysées, en commençant par le béton qui représente la majeure partie de leur composition.

Au niveau européen, la directive 2009/28/CE sur l'énergie renouvelable établit des objectifs pour la part des énergies renouvelables dans la consommation d'énergie et la production d'électricité. Bien qu'elle n'aborde pas spécifiquement le recyclage des éoliennes, elle encourage les États membres à promouvoir le développement durable et à prendre en compte les impacts environnementaux des installations de production d'énergie renouvelable.

Initiatives et innovations pour le recyclage des éoliennes

Des entreprises et des chercheurs travaillent sur le développement de nouveaux matériaux et designs pour les éoliennes, afin de faciliter leur recyclage. Par exemple, Siemens Gamesa a développé de nouvelles pales entièrement recyclables, utilisées pour la première fois dans un parc éolien offshore britannique.

Les fabricants cherchent également à remplacer les résines thermodurcissables par des résines thermoplastiques. Contrairement aux résines thermodurcissables, les résines thermoplastiques peuvent être ramollies et refondues à plusieurs reprises, permettant ainsi de séparer les fibres de renforcement des résines et faciliter leur recyclage.

Pour en savoir plus : Comment Lumo calcule mon impact lorsque j'investis dans les énergies renouvelables ?

Une autre approche consiste à concevoir les pales en modules qui peuvent être facilement démontés et remplacés. Cela permet de remplacer uniquement les parties endommagées ou usées, réduisant ainsi la quantité de déchets générés lors de la maintenance ou du remplacement des pales.

Certains fabricants explorent l’utilisation de matériaux biosourcés, tels que des composites à base de fibres naturelles ou de biopolymères, pour les pales des éoliennes. Ces matériaux ont l’avantage d’être renouvelables et potentiellement plus faciles à recycler ou à se décomposer en fin de vie.

Pour faciliter le recyclage et la traçabilité des pales, des marqueurs ou des codes de suivi peuvent être intégrés dans les matériaux. Cela permet d’identifier et de suivre les pales tout au long de leur cycle de vie, facilitant ainsi leur tri et leur traitement approprié en fin de vie.

La coopération entre les acteurs de l'industrie éolienne est essentielle pour relever les défis du recyclage des éoliennes. Des initiatives telles que l'association WindEurope, qui réunit des fabricants d'éoliennes, des développeurs de parcs éoliens et d'autres acteurs du secteur, permettent de partager les connaissances et les bonnes pratiques pour le recyclage des équipements éoliens.

Le crowdfunding éco-responsable : un catalyseur pour financer les énergies renouvelables et les recherches en matière de recyclage

Dans un monde confronté aux défis du changement climatique et à l’épuisement des ressources naturelles, il est impératif de trouver des solutions durables pour produire de l’énergie et gérer les déchets imputables à ce secteur.

Lumo met à votre disposition depuis plus de 10 ans sa plateforme de financement participatif et vous permet d’investir directement dans les énergies renouvelables, ou dans les technologies et, la recherche dédiée à la réduction de leur empreinte carbone.

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Sources :
[1] https://www.lesechos.fr/weekend/planete/le-recyclage-des-eoliennes-en-france-mythe-ou-realite-1915105 [2] https://www.senat.fr/rap/r18-649-1/r18-649-121.html [3] https://www.revolution-energetique.com/dossiers/la-fondation-en-beton-dune-eolienne-est-elle-vraiment-problematique/ [4] https://www.actu-environnement.com/ae/news/Recyclage-beton-recommandations-pollutec-32485.php4 [5] https://www.revolution-energetique.com/dossiers/la-fondation-en-beton-dune-eolienne-est-elle-vraiment-problematique/