ÉOLIEN OFFSHORE

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Un des premiers projets d’éoliennes marines

Un des premiers projets d’éoliennes marines
Crédits : H. Honnef, Windkraftwerke, 1932/ DR

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Centrale éolienne offshore chinoise de Jiangsu

Centrale éolienne offshore chinoise de Jiangsu
Crédits : Zhou Guk/ Barcroft Media/ Getty Images

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Répartition des coûts pour les centrales éoliennes (offshore et terrestre)

Répartition des coûts pour les centrales éoliennes (offshore et terrestre)
Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Dimensions et puissances des éoliennes

Dimensions et puissances des éoliennes
Crédits : Encyclopædia Universalis France

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En fort développement, l’éolien en mer – ou éolien offshore – est une filière de production d’électricité d’avenir dans le contexte du changement climatique. Avec près de vingt ans de retour d’expérience, cette énergie marine renouvelable poursuit sa progression avec des coûts de production en constante diminution et des centrales éoliennes de puissance importante, de 1 000 mégawatts (MW) et plus. L’Europe a été pionnière de cette filière énergétique, en développant les premiers parcs éoliens dans les années 2000.

Bref historique

L’idée d’installer des éoliennes en mer comporte de nombreux avantages : vitesses des vents plus élevées et plus régulières (la turbulence étant plus faible car les vents rencontrent moins d’obstacles que sur Terre), utilisation d’éoliennes de très grande puissance (problèmes d’accès et de levage simplifiés) et surface potentiellement infinie permettant d’installer plusieurs centaines, voire plusieurs milliers de mégawatts.

Au début des années 1930, l’ingénieur allemand Hermann Honnef (1878-1961) étudie des éoliennes constituées de plusieurs rotors, de 160 mètres de diamètre et délivrant 4 MW (1 MW = 1 000 kW) chacun, pour atteindre une puissance totale de 20 MW. Il est le premier à proposer l'installation « offshore » d'éoliennes sur un ponton flottant ancré au fond de la mer.

Un des premiers projets d’éoliennes marines

photographie : Un des premiers projets d’éoliennes marines

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Les deux éoliennes sont disposées sur un flotteur orienté face au vent. Au-delà d'une certaine vitesse de vent (54 km/h), l'ensemble de l'installation s'incline vers l'arrière, où les flotteurs sont recourbés, pour limiter la puissance. Ce dispositif d'une hauteur de 200 mètres, proposé... 

Crédits : H. Honnef, Windkraftwerke, 1932/ DR

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Au début des années 1970, William Edward Heronemus (1920-2002), professeur au Massachusetts Institute of Technology (MIT), est un pionnier de l’éolien offshore aux États-Unis. Il présente un concept proche de celui d’Honnef : une éolienne multirotor de 6 MW composée de trois rotors de 2 MW sur une structure flottante, elle aussi ancrée au fond de la mer. Il propose en 1972 un projet de 13 600 éoliennes flottantes.

Si tous ces projets restent à l’état d’étude, l’éolien offshore est relancé en 1979 par le réseau électrique anglais CEGB (Central Electricity Generating Board), qui affirme la nécessité de développer des centrales éoliennes offshore face aux limites de l’éolien terrestre (impacts visuels et sonores). Le ministère de l’Énergie britannique finance ainsi en 1983 l’étude d’un projet de 800 MW utilisant des éoliennes de 100 mètres de diamètre. La même année, l’Agence internationale de l’énergie crée un groupe de travail sur l’étude des éoliennes offshore (le Task 7 Study of Offshore WECS). Le coordonnateur est le CEGB (Royaume-Uni) avec la participation de trois autres pays européens : le Danemark, les Pays-Bas et la Suède. Quatre sous-tâches sont définies (mesure, conception d’éolienne, élaboration de spécifications, études générales). Le groupe sera rejoint en 1984 par les États-Unis sur le thème des vibrations (les vagues étant une source supplémentaire de vibrations venant s’ajouter à celles liées à la turbulence du vent et à la rotation des pales), permettant de partager les recherches entre ces cinq pays. En parallèle, l’énergie éolienne devenant à la fin des années 1980 une réponse crédible aux questions de changement climatique, les industriels sont incités à développer des machines de grande puissance, de 1,5 MW et plus, sous l’impulsion de la Commission européenne.

C’est en 1990 qu’est installée à Norgersund, en Suède, à 250 mètres de la côte et sur une profondeur de 7 mètres, la première éolienne offshore au monde, d’une puissance de 220 kW. Puis la première centrale éolienne offshore (regroupant neuf éoliennes de 450 kW) est réalisée par l’entreprise d’électricité danoise Elkraft (aujourd’hui Ørsted) en 1991 à Vindeby au Danemark. Mais le développement de la production offshore est freiné au début des années 2000 par un certain nombre de problèmes techniques et des coûts plus importants que prévu – à Horns Rev (Danemark), remplacement de 80 éoliennes de 2 MW en 2003,lié à des erreurs de fabrication et de très nombreuses interventions de maintenance en mer... Après un nouvel effort de conception et d’adaptation au milieu marin (fiabilisation, procédures de certification, maintenance facilitée), cette technologie prendra son essor au milieu des années 2000 avec des éoliennes dédiées à l’offshore et de plus grande taille (5 MW).

Un développement soutenu

Selon le Global Wind Energy Council (GWEC), la puissance des éoliennes installées en mer à la fin de l’année 2019 était de 29 100 MW, représentant environ 4 p. 100 du total de la puissance installée de l’éolien mondial (651 000 MW). L’Europe regroupe plus des trois quarts des centrales offshore, les pays les plus impliqués étant le Royaume-Uni, l’Allemagne et le Danemark. Ces États disposent en effet de sites répondant à deux critères fondamentaux pour l’économie de tels projets : une faible profondeur et une proximité des côtes.

Centrale éolienne offshore chinoise de Jiangsu

photographie : Centrale éolienne offshore chinoise de Jiangsu

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La Chine est le premier pays au monde tant par la capacité d'énergies renouvelables installées (hydraulique, éolien et photovoltaïque) que par la production industrielle de générateurs éoliens et de panneaux photovoltaïques. La centrale éolienne en mer de Jiangsu comprend 55 éoliennes... 

Crédits : Zhou Guk/ Barcroft Media/ Getty Images

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En dehors de l’Europe, la Chine a mis en place un programme ambitieux de déploiement de plus de 56 000 MW d’ici 2030 dont 40 400 MW ont déjà été autorisés par l’État. Le Japon et Taïwan ont aussi annoncé des programmes de plus de 10 000 MW d’ici 2030. Quant aux États-Unis, ils concentrent leur activité sur la côte est (faible profondeur d’eau) avec un objectif de 25 400 MW répartis sur six États. La première centrale offshore américaine a été inaugurée en 2016 (État de Rhode Island, 30 MW) et les infrastructures aptes à fournir plus de 10 000 MW devraient être installées d’ici 2026.

Une technologie qui repousse les limites de l’éolien

Comparées aux centrales éoliennes terrestres, les centrales offshore permettent d’installer des puissances élevées, de 500 à plus de 1 000 MW, un niveau de puissance comparable aux centrales conventionnelles. La taille n’est plus une limite comme à terre où les contraintes techniques (transport et levage, gêne pour la circulation aérienne…) et les impacts paysagers sont des freins au développement de l’éolien de grande puissance. Le transport sur mer est bien plus facile notamment pour l’acheminement de certains éléments qui sont à ce jour les plus grandes pièces fabriquées par l’homme, très difficiles à transporter sur terre (par exemple, les pales de 110 mètres de longueur).

Une autre grande différence avec les centrales terrestres est la moindre part relative des éoliennes dans le coût global d’une centrale offshore : 30 à 40 p. 100 en offshore contre environ 80 p. 100 pour l’éolien terrestre.

Répartition des coûts pour les centrales éoliennes (offshore et terrestre)

photographie : Répartition des coûts pour les centrales éoliennes (offshore et terrestre)

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Ce tableau compare les coûts d'investissement (en pourcentage) pour installer une centrale éolienne en mer (jusqu'à 50 m de profondeur) à ceux d'une centrale à terre (source : Agence internationale de l'énergie, 2019). 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Selon les sites, le montant de l’investissement installé en mer est de deux à quatre fois plus élevé que celui de l’éolien terrestre, mais la production est de deux à trois fois plus élevée. Ces coûts sont très dépendants de l’emplacement du site.

Les États sont souverains sur la mer territoriale, jusqu’à 12 milles marins (22,2 km) des côtes et exercent des droits sur la zone économique exclusive (ZEE), jusqu’à 200 milles marins (370 km). Dans la plupart des pays, l’État définit des zones susceptibles d’accueillir des éoliennes sur la base d’une analyse technique et environnementale et lance ensuite un appel d’offres, sur un modèle voisin de celui de l’offshore pétrolier, dans lequel les promoteurs privés sont invités à proposer leur prix pour l’électricité produite. Les prix demandés dépendent du contexte national, de la géographie du site et de la rentabilité recherchée par les investisseurs. En France, les promoteurs des six premiers projets attribués en 2011 et 2013 ont finalement obtenu 0,15 € du kilowattheure (kWh) après renégociation avec l’État en 2018. Pour le projet accordé en 2019 au large de Dunkerque, l’investisseur n’a demandé que 0,044 € par kWh, un prix du même ordre que le prix de l’électricité issu des filières conventionnelles. On note aussi l’émergence de projets financés par des contrats de fourniture d’entreprises privées.

Sur les sites favorables, les coûts de production du kWh par l’éolien offshore se situent désormais au même niveau que ceux de l’éolien terrestre et du solaire de grande puissance.

Des éoliennes offshore de grande dimension

Les éoliennes utilisées en mer sont de même technologie que les éoliennes terrestres : rotor tripale au sommet d’un mât entraînant une génératrice à vitesse variable raccordée au réseau électrique. Mais, compte tenu des coûts fixes pour les fondations et l’installation, les industriels ont accru la taille des éoliennes qui atteint désormais 220 mètres de diamètre avec Haliade X (12 MW de puissance), un prototype installé à Rotterdam en 2019 et développé par General Electric. Les coûts de développement de telles machines sont très élevés (44 millions d’euros pour Haliade X), ce qui limite le nombre d’industriels présents sur ce marché. On s’attend à des puissances unitaires de 15 à 20 MW en 2030, voire 50 MW à plus long terme, avec des diamètres de l’ordre de 230 à 250 mètres. Il ne semble pas exister de mur technologique infranchissable en termes de dimensions, si ce n’est les questions de logistique, mais aussi d’aérologie car, au-delà d’une certaine hauteur, variable suivant les sites, la vitesse du vent n’augmente plus aussi vite.

Dimensions et puissances des éoliennes

photographie : Dimensions et puissances des éoliennes

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Ce schéma montre l'évolution de la taille et de la puissance des éoliennes. Les plus importantes  d'entre elles – d'une puissance supérieure à 10 MW – sont réservées au domaine offshore (d'après Wind Europe). 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Les voies d’amélioration concernent les différents éléments constitutifs de l’éolienne (pales, génératrice électrique…), mais aussi le système complet (fondations, moyens de transport et de mise en place…). Par exemple, pour dresser le mât des éoliennes, des systèmes autolevants sont testés, comme pour Elisa aux Canaries (éolienne de 5 MW munie d’un mât télescopique), ce qui diminue les coûts de levage d’autant que les moyens offshore sont en nombre limité. Pour diminuer les coûts du mât, la conception d’éoliennes multirotors est envisagée, notamment par la société danoise Vestas, qui lance un test en 2018 avec quatre rotors de 225 kW. Enfin, pour certains spécialistes, il serait nécessaire de repenser l’ensemble du système de production et développer de nouvelles solutions plus radicales : éoliennes à axe vertical (axe de rotation perpendiculaire au vent ne nécessitant pas d’orientation face au vent et permettant de disposer le générateur au pied de la machine pour faciliter la maintenance), ensemble éolienne et flotteur s’orientant au vent supprimant le système d’orientation au sommet du mât par exemple.

Prototype d’éolienne à axe vertical

photographie : Prototype d’éolienne à axe vertical

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Malgré ses avantages (puissance disponible au niveau de la mer, absence de système d'orientation face au vent, facilité d'accès pour la maintenance…), l'éolienne à axe vertical doit surmonter des contraintes dynamiques importantes qui rendent son développement industriel complexe,... 

Crédits : SeaTwirl

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Les fondations des éoliennes

Les installations réalisées sont presque toutes installées sur le fond marin. On parle d’éoliennes posées. C’est la solution la plus simple, mais elle est limitée à des profondeurs d’eau de 50 mètres.

Pour ces éoliennes posées, trois principaux types de fondations sont utilisés en fonction des caractéristiques physiques du site, et notamment de la nature des sols (selon qu’ils sont sableux ou friables, ou au contraire rocheux et durs) : la fondation monopieu, constituée d’un tube en acier enfoncé dans le sable et atteignant les parties dures du sous-sol marin ; la fondation gravitaire, composée d’une large base en béton posé au fond de la mer ; la fondation de type structure métallique ou jacket, constituée d’un treillis métallique fixé sur trois ou quatre pieux, une structure utilisée dans l’offshore pétrolier.

Les trois principaux types de fondations pour les éoliennes posées en mer

photographie : Les trois principaux types de fondations pour les éoliennes posées en mer

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En fonction de la nature du sol du site d'implantation, la fondation d'une éolienne peut être de type monopieu (essentiellement pour les fonds sableux), gravitaire (nécessitant, pour la base en béton, un sol plat et stable) ou sur treillis métallique (pour des fonds rocheux). 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Sur les six projets éoliens offshore français en cours d’installation d’ici 2025, quatre d’entre eux utilisent des monopieux – îles d'Yeu et de Noirmoutier (496 MW), Saint-Nazaire (480 MW), Courseulles-sur-Mer (450 MW) et Dieppe/Le Tréport (496 MW) –, Fécamp (498 MW) la fondation gravitaire et Saint-Brieuc (496 MW) le treillis métallique.

Un nouveau système émerge avec les éoliennes dites flottantes qui a pour avantage de dépasser la limite des 50 mètres de profondeur de l’éolien posé, ce qui intéresse en premier lieu le Japon et la côte ouest des États-Unis, mais également la France, notamment en Bretagne et en Méditerranée, là où la mer est souvent profonde à proximité du littoral. Il facilite aussi l’installation : l’éolienne sur son flotteur peut être transportée toute dressée sur le site, le flotteur étant ensuite maintenu par des câbles ancrés dans le fond marin. Enfin, il permet d’éloigner les éoliennes des côtes et donc de limiter leur impact visuel.

Les coûts de l’éolien flottant, en cours de développement, sont supérieurs de 60 p. 100 à ceux de l’éolien posé, mais les industriels s’attendent à une forte diminution de cet écart, voire à sa disparition d’ici 2030. En 2016, l’Agence de la transition écologique (Ademe) a lancé un appel à projets pour des fermes pilotes éoliennes flottantes et sélectionné quatre projets de 100 MW annonçant un coût de production actualisé de 0,34 € du kWh.

Dans le domaine des fondations, au-delà des éoliennes flottantes, des structures fixées au fond sont possibles combinant pieux battus (c’est-à-dire enfoncés dans le sol) et flotteurs ou treillis métalliques ancrés au fond. Des plates-formes flottantes multiénergies sont aussi à l’étude, combinant énergie éolienne et énergie des vagues ou encore éolienne conventionnelle et système aéroporté de type ballon ou cerf-volant produisant de l’énergie.

Raccordement au réseau électrique

Les éoliennes offshore doivent être raccordées à un réseau électrique terrestre. Elles sont tout d’abord reliées entre elles et raccordées à un poste électrique localisé en mer, comprenant les équipements de transformation – qui élèvent la tension produite (quelques milliers de volts) à celle du réseau de transport de l’électricité (plusieurs centaines de milliers de volts) – et de comptage de l’énergie (permettant de comptabiliser la production pour rémunérer l’investisseur).

Éoliennes en mer : schéma de raccordement

photographie : Éoliennes en mer : schéma de raccordement

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La production d'électricité par des éoliennes offshore nécessite des infrastructures permettant d'abord d'acheminer l'électricité produite vers un poste électrique en mer – qui élève la tension de l'électricité produite par les éoliennes à celle du réseau très haute tension –,... 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Le poste électrique en mer est lui-même relié à un poste électrique à terre – lequel peut se situer à plusieurs dizaines de kilomètres des côtes – par des câbles électriques à très haute tension, prioritairement enfouis dans le sol ou déposés au fond de la mer et protégés par des enrochements ou des matelas en béton.

Pour des puissances jusqu’à 1 GW (1 000 MW) environ, le raccordement de référence est en courant alternatif et comprend trois ou quatre câbles et des postes de transformation en mer et à terre. Pour des puissances supérieures, le courant continu est la solution retenue pour limiter les pertes électriques, avec le développement de plates-formes mutualisées et modulaires (« hubs ») raccordant des centrales offshore appartenant à différents opérateurs (plusieurs GW jusqu’à 100 km de la côte en Allemagne). Des concepts plus avancés intégrant production d’électricité, production d’hydrogène, moyens de stockage et extension du réseau terrestre en mer dans un super-réseau (supergrid) sont aussi à l’étude à l’horizon 2050.

Un usage de la mer controversé

La mer, espace apparemment vide et libre de contraintes, est en fait un milieu physique et biologique très complexe, siège de multiples activités humaines. L’implantation d’un équipement lourd entraîne des conséquences sur les écosystèmes marins et littoraux, le patrimoine et le paysage ainsi que sur les usages dans la zone d’implantation. Pour analyser les impacts potentiels, des guides méthodologiques sont publiés par les autorités environnementales.

Le retour d’expérience sur dix ans en Belgique montre que les impacts physiques et biologiques (flore, faune) sont limités, essentiellement liés à la perturbation du milieu lors des travaux et surtout lors du battage des monopieux, enfoncés dans le fond marin en frappant le tube avec une masse (bruits et vibrations, brassage des sédiments…). Les impacts sur la population benthique (organismes aquatiques vivant à proximité du fond marin) sont faibles – mais plus importants pour les jackets – et dépendent du type de fondations. Selon cette étude, l’enrichissement du milieu par effet de récif artificiel – avantage pour l’écosystème marin – semble disparaître au bout de six ans. Certaines espèces d’oiseaux (fou de Bassan, guillemot commun, pingouin torda) évitent la zone des éoliennes alors que d’autres y sont en plus grand nombre. La présence de chauves-souris (pipistrelles) a été aussi notée. Aucune pollution des eaux par les métaux utilisés dans les systèmes anticorrosion (aluminium, zinc…) n’a été détectée. Les scientifiques attirent cependant l’attention sur les impacts cumulatifs potentiels liés à la présence de nombreuses centrales en mer, notamment pour les oiseaux qui, en évitant une première centrale, risquent d’entrer en collision avec une autre située à proximité.

La mer est le lieu de différentes activités économiques (trafic maritime, pêche, extraction de granulats, aquaculture, loisirs nautiques…) qui selon les sites peuvent avoir une très forte importance. À cela s’ajoutent les questions de défense nationale et de navigation aérienne. En Belgique, comme en France, la pêche est interdite dans la zone des éoliennes, mais la pratique des pêcheurs n’a été que peu affectée par ces installations. Pour la navigation maritime et aérienne, les mesures de sécurité sont classiques (balisage, inscription sur les cartes nautiques), mais rien ne pourra empêcher la collision d’un navire en perdition.

Les impacts sur le paysage et le patrimoine sont bien plus importants puisque le littoral est une zone dense avec une histoire riche et une forte fréquentation touristique. L’impact visuel des éoliennes est en effet réel, même à 15 kilomètres en mer, surtout par ciel clair. Et certains ne leur pardonnent pas d’altérer cette immensité, plate et vide de constructions permanentes. D’autres voient au contraire dans ces machines une nouvelle image pour leur littoral, moderne et attractive.

À examiner les débats publics et les critiques, l’aspect économique (coûts, emplois…) et la déstructuration potentielle du service public de l’électricité sont des thèmes récurrents. Les arguments des uns et des autres sont plus ou moins fondés, entraînant une « guerre informationnelle ».

Si tous les projets donnent lieu à une analyse des conséquences sur l’environnement et à la mise en œuvre de mesures compensatoires suivant des méthodologies définies par l’État, ces études entraînent des coûts et des délais importants dans un contexte où la technologie évolue très vite. Différents exemples montrent que la réussite d’un projet est le plus souvent liée à son acceptation par les habitants des territoires littoraux concernés et donc à la bonne communication entre les promoteurs de projet et la population locale.

L’aspect industriel a été central pour le lancement de l’éolien offshore en France. General Electric a créé son centre mondial de compétences offshore en France ainsi qu’une usine de fabrication de nacelles à proximité de Saint-Nazaire (Loire-Atlantique) et une usine de production de pales à Cherbourg-en-Cotentin (Manche). Siemens-Gamesa installe une usine d’assemblage au Havre (Seine-Maritime).

Perspectives de l’éolien en mer

L’éolien offshore, filière de production d’électricité renouvelable, est une technologie devenue mature. Sa part dans le développement de l’éolien devrait s’accroître sans pour autant prendre la place de l’éolien terrestre. Son avenir est largement conditionné par le choix des sites, tant du point de vue technique (accessibilité, profondeur d’eau) que du point de vue social (impacts sur le paysage, les activités existantes, notamment la pêche et le tourisme). Avec l’augmentation de la puissance des centrales offshore, le déploiement à grande échelle induit une restructuration du réseau électrique ainsi qu’une attention aux effets cumulatifs liés à la concentration de projets sur une même zone.

—  Philippe BRUYERRE

Bibliographie

Commission nationale du débat public (CNDP), « Quelles seraient les grandes caractéristiques d’un parc éolien en mer d’1 GW au large de la Normandie et de son raccordement ? », in « Éoliennes en mer au large de la Normandie », fiche 9, 2020 (https://eolmernormandie.debatpublic.fr/le-projet)

S. Degraer, R. Brabant, B. Rumes & L. Vigin, Environmental mpacts of offshore wind farms in the belgian part of the North Sea – Marking a decade of monitoring, research and innovation, coll. « Scientific reports series », Royal Belgian Institute of Natural Sciences, Bruxelles, 2019 (https://tethys.pnnl.gov/sites/default/files/publications/Degraer-2019-Offshore-Wind-Impacts.pdf appel-d-offres/projet-appel-d-offres)

Global Wind Energy Council (GWEC), Global Wind Report 2019, Bruxelles, 2020 (https://gwec.net/global-wind-report-2019/)

International Energy Agency (IEA), Offshore Wind Outlook 2019, Paris, 2019 (https://www.iea.org/reports/offshore-wind-outlook-2019)

S. Watson, A. Moro, V. Reis et al., « Future emerging technologies in the wind power sector : a European perspective », in Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 113, pp. 1-21, 2019 (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1364032119304782)

Wind Europe, Offshore Wind in Europe. Key Trends and Statistics 2019, Bruxelles, 2020 (https://windeurope.org/wp-content/uploads/files/about-wind/statistics/WindEurope-Annual-Offshore-Statistics-2019.pdf).

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Pour citer l’article

Philippe BRUYERRE, « ÉOLIEN OFFSHORE », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 04 décembre 2020. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/eolien-offshore/