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Tout savoir sur le fonctionnement
d’une éolienne
Une éolienne est un dispositif qui utilise la force motrice du vent. Cette
force peut être utilisée mécaniquement (dans le cas d'une éolienne
de pompage), ou pour produire de l'électricité (dans le cas d'un aérogénérateur
appelé plus communément éolienne).
Historique
Depuis l'Antiquité, des moulins à vent convertissent l'énergie
éolienne en énergie mécanique (généralement utilisé
pour moudre du grain, presser de l'huile, battre le fer, le cuivre, le feutre ou
les fibres du papier, etc. ou relever de l'eau). De nos jours, on trouve encore
des éoliennes couplées à des pompes à eau, généralement
utilisées assécher des zones humides ou au contraire irriguer des
zones sèches ou abreuver du bétail.
En 1888, Charles F. Brush construit une petite éolienne pour alimenter sa
maison en électricité, avec un stockage par batterie d'accumulateurs.
La première éolienne « industrielle » génératrice
d'électricité est développée par le Danois Poul La Cour
en 1890, pour fabriquer de l'hydrogène par électrolyse. Dans les années
suivantes, il crée l'éolienne Lykkegard, dont il vend 72 exemplaires
en 1908.
Une éolienne expérimentale de 800 kVA fonctionne de 1955 à
1963 en France, à Nogent-le-Roi dans la Beauce. Elle avait été
conçue par le Bureau d'Études Scientifiques et Techniques de Lucien
Romani et exploitée pour le compte d'EDF. Simultanément, deux éoliennes
Neyrpic de 130 et 1 000 kW furent testées par EDF à Saint-Rémy-des-Landes
(Manche). Il y eut également une éolienne raccordée au secteur
sur les hauteurs d'Alger (Dély-Ibrahim) en 1957.
Cette technologie ayant été quelque peu délaissée par
la suite, il faudra attendre les années 1970 et le premier choc pétrolier,
pour que le Danemark reprenne les développements d'éoliennes.
Fonctionnement d'une éolienne
Schéma d'une éolienne de type aérogénérateur.
Une éolienne permet de transformer l'énergie cinétique du vent
en énergie électrique. Elle se compose des éléments
suivants :
>
Un mât permet de placer le rotor à une hauteur suffisante
pour permettre son mouvement (nécessaire pour les éoliennes à
axe horizontal) et/ou placer ce rotor à une hauteur lui permettant d'être
entraîné par un vent plus fort et régulier qu'au niveau du sol.
Le mât abrite généralement une partie des composants électriques
et électroniques (modulateur, commande, multiplicateur, générateur,
etc.).
>
Un rotor, composé de plusieurs pales (en général
trois) et du nez de l'éolienne. Le rotor est entraîné par l'énergie
du vent, il peut être couplé directement ou indirectement à
une pompe (cas des éoliennes de pompage) ou plus généralement
à un générateur électrique. Le rotor est relié
à la nacelle par le moyeu.
>
Une génératrice ou nacelle montée au sommet du
mât, abritant les composants mécaniques, pneumatiques, certains composants
électriques et électroniques, nécessaires au fonctionnement
de la machine.
>
Une queue avec ou sans dérive dans le cas des petites éoliennes
domestiques, destinée à diriger l’éolienne vers le vent
à la manière d'une girouette
>
Dans le cas des éoliennes produisant de l'électricité,
un poste de livraison situé à proximité de l’éolienne
permet de relier cette dernière au parc de batterie ou au réseau électrique
pour y injecter l'énergie produite.
Les Critères de choix de l'implantation éolienne dépendent
de la taille, puissance et du nombre d'unités. Ils incluent la présence
d'un vent régulier (Cf. atlas éolien) et diverses conditions telles
que : présence d'un réseau électrique pour recueillir le courant,
absence de zones d'exclusion (dont périmètre de monuments historiques,
sites classés, etc.), terrain approprié, etc.
Le vent
L'efficacité d'une éolienne dépend notamment de son emplacement.
En effet, la puissance fournie augmente avec le cube de la vitesse du vent, raison
pour laquelle les sites sont d'abord choisis en fonction de la vitesse et la fréquence
des vents présents.
Un site avec des vents d'environ 30 km/h de moyenne sera environ huit fois plus
productif qu'un autre site avec des vents de 15 km/h de moyenne.
Une éolienne fonctionne d'autant mieux que les vents sont réguliers
et fréquents.
Un autre critère important pour le choix du site est la constance de la vitesse
et de la direction du vent, autrement dit la turbulence du vent. En effet, en règle
générale, les éoliennes sont utilisables quand la vitesse du
vent est supérieure à une valeur comprise entre 10 et 20 km/h, sans
toutefois atteindre des valeurs excessives qui conduiraient à la destruction
de l'éolienne ou à la nécessité de la « débrayer
» (pâles en drapeau) pour en limiter l'usure. La vitesse du vent doit
donc être comprise le plus souvent possible entre ces deux valeurs pour un
fonctionnement optimal de l'éolienne. De même, l'axe de rotation de
l'éolienne doit rester la majeure partie du temps parallèle à
la direction du vent. Même avec un système d'orientation de la nacelle
performant, il est donc préférable d'avoir une direction de vent la
plus stable possible pour obtenir un rendement optimal (alizés par exemple).
Certains sites proches de grands obstacles sont ainsi à proscrire car le
vent y est trop turbulent (arbres, bâtiments, escarpements complexes, etc.).
De manière empirique, on trouve les sites propices à l'installation
d'éoliennes en observant les arbres et la végétation. Les sites
sont intéressants s'ils sont constamment courbés par les vents. Les
implantations industrielles utilisent des cartes de la vitesse des vents des atlas
éoliens (là où ils existent) ou des données accumulées
par une station météorologique proche.
En France, un projet est considéré économiquement rentable
si la vitesse moyenne annuelle du site est supérieure à 6 ou 7 m/s,
soit 21 à 25 km/h. Cette rentabilité dépend de nombreux autres
facteurs, dont les plus importants sont le coût de connexion au réseau
et le coût des fondations (déterminant dans le cas d'un projet offshore)
et les coûts de rachat de l'électricité.
Certains sites bien spécifiques augmentent la vitesse du vent et sont donc
plus propices à une installation éolienne :
>
L'effet tunnel ou effet Venturi : au niveau des cols, entre deux montagnes
comme entre deux grands bâtiments, le vent est souvent plus fort. L'air est
compressé entre les montagnes ou les bâtiments. Pour garder un débit
d'air constant, la vitesse augmente donc considérablement. De plus, le vent
garde généralement une direction constante. Ces lieux sont donc très
appropriés pour les éoliennes.
>
Suivant le même principe, l'air est compressé au sommet
des collines et le vent y est donc accéléré. Il est tout de
même important que les flancs de la colline soient en pente douce et sans
escarpements susceptibles de provoquer des turbulences néfastes au fonctionnement
de l'éolienne.
>
La mer et les lacs sont aussi des emplacements de choix : il n'y a
aucun obstacle au vent, et donc, même à basse altitude, les vents ont
une vitesse plus importante et sont moins turbulents. La proximité d'une
côte escarpée, en revanche, créera également des turbulences,
usant prématurément certains composants mécaniques de l'éolienne.
Autres critères
D'autres critères sont pris en compte pour le choix du site.
>
La nature du sol : il doit être suffisamment résistant
pour supporter les fondations de l'éolienne. Ce critère n'est pas
déterminant car dans le cas d'un sol meuble, des pieux seront alors enfoncés
sous les fondations de l'éolienne Il existe aussi des éoliennes haubanées.
>
La connexion au parc de batteries ou au réseau électrique.
Le raccordement peut dans certains cas s’avérer coûteux si le
parc de batterie ou le réseau électrique sont trop éloignés
de l’éolienne.
>
Même si les éoliennes de dernière génération
sont relativement silencieuses, il faut savoir qu’une éolienne produit
un niveau sonore perceptible. La distance entre l’éolienne et les habitations
doit être suffisante pour que l’éolienne soit inaudible ou très
peu audible, même si son bruit est généralement couvert par
le bruit du vent.
Sur la terre ferme
Dans une installation éolienne, il est préférable de placer
la génératrice sur un mât à une hauteur de plusieurs
mètres jusqu'à environ 100 mètres pour les éoliennes
industrielles, de façon à capter des vents plus forts et moins perturbés
par la « rugosité » du sol. Dans les zones où le relief
est très complexe, il est possible de doubler la quantité d'énergie
produite en déplaçant l'installation de seulement quelques dizaines
de mètres. Des mesures in situ et des modélises mathématiques
permettent d'optimiser le positionnement d'éoliennes.
Pour les zones isolées et exposées
aux cyclones
Pour ces zones il existe des éoliennes spéciales, haubanées
et pouvant être couchées au sol (en 45 minutes) à l'annonce
d'un cyclone ou d'une tempête. Ces éoliennes sont de plus très
allégées et conçues pour résister aux tremblements de
terre les plus courants. Elles ne nécessitent pas de fondations et se transportent
en pièces détachées. Par exemple, de 1990 à 2007 20
MW de puissance éolienne ont ainsi pu être installées en Guadeloupe.
Toutes les éoliennes de Guadeloupe peuvent être couchées au
sol et arrimées, ce qui a dû être fait lors des passages d'Ivan
et José, les deux cyclones de 1999 et 2004.
Altitude
Le vent est engendré par une différence de température ou de
pression. Il est ralenti par les obstacles, et la rugosité du sol, et est
généralement plus fort en altitude. Les plaines ont des vents forts
parce qu'il y a peu d'obstacles. Les cols de montagne ont eux aussi des vents forts,
parce qu'ils canalisent les vents de haute altitude. Dans certains cols, les vents
proviennent de l'écart de température entre les deux versants. Les
éoliennes installées sur les côtes ou en bordure de mer bénéficient
de vents puissants et réguliers, car la surface de l'eau ne constitue pas
un obstacle (faible rugosité), et parce que la différence de température
mer/terre favorise des vents thermiques.
Villes
En environnement urbain, où il est difficile d'obtenir de puissants flux
d'air, de plus petits équipements peuvent être utilisés pour
faire tourner des systèmes basse tension. Des éoliennes sur un toit
fonctionnant dans un système d'énergie distribuée permettent
d'alléger les problèmes d'acheminement de l'énergie et de pallier
les pannes de courant. De petites installations telles que des routeurs wi-fi peuvent
être alimentées par une éolienne qui recharge une petite batterie.
En ville, on pourra envisager l'implantation d'éoliennes à axe vertical
ou hélicoïdales, qui ont un rendement inférieur mais qui produisent
de l'électricité même par vent faible.
Il est aussi possible d'installer des éoliennes sur le toit des tours comme
dans le quartier de la Défense à Paris.
Modélisation d'une éolienne
Une éolienne se modélise principalement à partir de ses caractéristiques
aérodynamique, mécanique et électrotechnique. En pratique,
on distingue aussi le « grand éolien », qui concerne les machines
de plus de 250 kW, de l'éolien de moyenne puissance (entre 36 kW et 250 kW)
et du petit éolien (inférieur à 36 kW).
Axe horizontal
Une éolienne à axe horizontal est une hélice perpendiculaire
au vent, montée sur un mât. La hauteur est généralement
de 12 m pour les petites éoliennes, et supérieure au double de la
longueur d'une pale pour les modèles de grande envergure.
Aujourd'hui les plus grandes éoliennes mesurent jusqu'à 180 m en bout
de pale avec un moyeu à 120 m pour une puissance de 6 MW.
Puissance récupérable
La puissance du vent contenue dans un cylindre de section S est :
P cinétique = 1 / 2 * mva * S * V
mva = masse volumique de l’air (air atmosphérique sec, environ
: 1,23 kg/m3 à 15 °C et à pression atmosphérique
1,0132 bars)
V = vitesse du vent en m/s
Cette puissance est une puissance théorique, il est bien sûr impossible
qu'elle soit récupérée tel quelle par une éolienne (cela
reviendrait à « arrêter le vent »).
Formule de Betz
La puissance récupérable est inférieure, puisque l'air doit
conserver une énergie cinétique résiduelle pour qu'il subsiste
un écoulement. Albert Betz a démontré que la puissance maximale
récupérable est :
P max = 16 /27 * P cinétique = 8 / 27 * mva * S * V
Le rendement maximal théorique d'une éolienne est ainsi fixé
à 16/27, soit environ 59,3 %. Ce chiffre ne prend pas en compte les pertes
d'énergie occasionnées lors de la conversion de l'énergie mécanique
du vent en énergie électrique.
Production d'énergie électrique d'une éolienne
Les éoliennes sont caractérisées par leur puissance électrique.
Ainsi une éolienne de 1 KW signifie qu'elle est capable de fournir
une puissance électrique maximale de 1000 Watts.
Les conditions optimales permettant d'atteindre cette puissance maximale correspondent
généralement à une vitesse de vent de comprise entre 10 et
15 m/s, soit 36 à 54 km/h environ : en dessous de cette vitesse, l'éolienne
produit moins d'énergie, au dessus, l'éolienne est mise à l'arrêt.
La production réelle d'énergie électrique est fonction de la
distribution statistique de la vitesse du vent du site.
>
Le facteur de capacité est le rapport entre la puissance électrique
moyenne (calculée sur un an) produite par l'éolienne et sa puissance
électrique maximale. En théorie, ce facteur de capacité peut
varier de 0% à 100%. En pratique, ce facteur est compris entre 20% et 70%
pour les éoliennes industrielles et selon les sites, et peut aller jusqu’à
100% pour les éoliennes domestiques.
Autres caractéristiques techniques
Pour des raisons de sécurité, il est nécessaire d'immobiliser
les pales lorsque le vent est très fort. Pour une vitesse de vent donnée,
la masse de la turbine est environ proportionnelle au cube de la longueur de ses
pales, alors que l'air intercepté par l'éolienne est proportionnel
au carré de cette longueur. Les pressions exercées sur une éolienne
augmentent donc très rapidement à mesure que sa taille augmente. Ainsi
la longueur maximale d'une pale est-elle limitée par la résistance
de ses matériaux.
Les coûts de construction et de maintenance d'une éolienne augmentent
peu en fonction de sa taille. En limitant tous les coûts, on reste seulement
contraint par la résistance des matériaux et de sa fondation. Pour
la réalisation des pales, l'un des meilleurs matériaux disponibles
actuellement est l'époxy. Le carbone composite permet de construire des éoliennes
de 60 m de rayon, suffisantes pour obtenir quelques mégawatts. Les éoliennes
plus petites peuvent être construites dans des matériaux moins chers,
tels que la fibre de verre, l'aluminium ou le bois lamellé.
Les petites éoliennes sont dirigées vers le vent par un aileron arrière,
à la manière d'une girouette. Les grandes éoliennes possèdent
des capteurs qui enregistrent la direction du vent et actionnent un moteur qui fait
pivoter le rotor.
Quand elle tourne face au vent, l'éolienne agit comme un gyroscope, et la
précession essaie de faire faire volte-face en avant ou en arrière
à la turbine. Chaque pale est soumise à une force de précession
maximale lorsqu'elle est verticale et minimale lorsqu'elle est horizontale. Ces
changements cycliques de pression sur les pales peuvent vite fatiguer et casser
la base des pales ou fausser l'axe de la turbine.
Quand une éolienne puissante possède plus de trois pales, celles-ci
sont perturbées par l'air déplacé par la pale précédente.
Le rendement s'en trouve réduit.
Les vibrations diminuent quand le nombre de pales augmente. En plus de fatiguer
les mécanismes, certaines vibrations sont audibles et provoquent des nuisances
sonores. Cependant, les éoliennes possédant moins de pales, plus grandes,
fonctionnent à un nombre de Reynolds plus élevé, et sont par
conséquent plus efficaces. Le prix d'une éolienne augmentant avec
le nombre de pales, leur nombre optimal semble donc être de trois.
Les rotors à nombre pair de pales ne nécessitent pas obligatoirement
de fixer individuellement chaque pale sur un moyeu. Aussi, beaucoup d'éoliennes
commercialisées ont deux pales, car il est plus facile et plus économique
d'usiner celles-ci d'un seul tenant. Les éoliennes à trois pales,
bien plus efficaces et silencieuses, doivent généralement être
montées sur place.
La plupart des éoliennes artisanales possèdent deux pales, car elles
sont fabriquées à partir d'une seule longue pièce courbée
de bois ou de métal, montée sur un générateur de récupération,
tel qu'un alternateur de voiture ou un moteur de machine à laver.
Comme le mât produit des turbulences derrière lui, le rotor est généralement
placé devant celui-ci. Dans ce cas, le rotor est placé assez loin
en avant, et son axe est parfois incliné par rapport à l'horizontale,
afin d'éviter que les pales ne viennent heurter le mât. On construit
parfois des éoliennes dont le rotor est placé en aval du mât,
malgré les problèmes de turbulences, car les pales peuvent ainsi être
plus souples et se courber sans risquer de heurter le mât en cas de grand
vent, réduisant ainsi leur résistance à l'air.
Les anciens moulins à vent sont équipés de voilures en guise
de pales, mais celles-ci ont une espérance de vie très limitée.
De plus, leur résistance à l'air est relativement élevée
par rapport à la puissance qu'elles reçoivent. Elles font tourner
le générateur trop lentement et gaspillent l'énergie potentielle
du vent dont la poussée implique qu'elles soient montées sur un mât
particulièrement solide. C'est pourquoi on leur préfère aujourd'hui
des pales profilées rigides.
Quand une pale est en rotation, la vitesse relative du vent par rapport à
la pale est supérieure à sa vitesse propre, et dépend de l'éloignement
du point considéré de la pale avec son axe de rotation. Cela explique
que le profil et l'orientation de la pale varient dans sa longueur. La composition
des forces s'exerçant sur les pales se résume en un couple utile permettant
la production d'électricité par l'alternateur, et une force de poussée
axiale, répercutée sur le mât par l'intermédiaire d'une
butée. Cette poussée peut devenir excessive par vent trop fort ; c'est
pourquoi les éoliennes sont alors arrêtées et orientées
pour offrir la moindre prise au vent.
Éoliennes à axe horizontal
Il existe des systèmes grâce auxquels les ailes se décalent
plus ou moins pour augmenter l'étendue des vitesses d'action. Si la vitesse
du vent est basse, les ailes sont complètement déployées, si
la vitesse est trop forte, les ailes sont complètement fermées et
l'éolienne forme un cylindre.
Arrêt par frein à disque automatique
Il ne s’agit plus d’un système de ralentissement, mais d'arrêt
complet de l’éolienne.
Ce mécanisme se déclenche automatiquement lorsque la vitesse atteint
un certain seuil par l’intermédiaire d’un détecteur de
vitesse. En cas de ralentissement du vent, le frein est relâché et
l’éolienne fonctionne de nouveau librement. Ce dispositif peut aussi
se déclencher lorsqu'un problème de réseau électrique
est détecté.
Poids économique des acteurs de l'industrie éolienne
Une éolienne utilisée pour fournir de l'électricité
aux réseaux délivre des puissances importantes, de l'ordre de 2 MW
à l'intérieur des terres et de 5 MW en mer. Cependant, des modèles
plus petits sont également disponibles.
C'est ainsi que certains navires sont maintenant équipés d'éoliennes
pour faire fonctionner des équipements tels que le conditionnement d'air.
Typiquement, il s'agit alors de modèles à axe vertical prévus
pour fournir de l'énergie quelle que soit la direction du vent. Une éolienne
de ce type délivrant 1 kW tient dans un cube de 2,5 m de côté.
Certaines éoliennes produisent directement de l'énergie mécanique
sans passer par la production d'électricité, notamment pour le pompage
de l'eau dans des lieux isolés. Ce mode de fonctionnement correspond à
celui des moulins à vent d'autrefois, qui entraînaient le plus souvent
des meules de pierre ; en effet, la plupart des 20 000 moulins à vent à
la fin du XVIIIe siècle en France servaient à la minoterie.
Avantages
Selon Hubert Reeves, « chaque éolienne est garante d'un peu moins de
gaz carbonique dans l'atmosphère ou d'un peu moins de déchets nucléaires
à gérer par les générations à venir ».
L’énergie éolienne est une énergie renouvelable idéale
car :
>
Il s’agit d’une forme d’énergie indéfiniment
durable et propre.
>
Elle ne nécessite aucun carburant.
>
Elle ne crée pas de gaz à effet de serre
>
Chaque KWh d’électricité produit par l’énergie
éolienne aide à réduire de 0,8 à 0,9 kg les émissions
de CO2 rejetées chaque année par la production d’électricité
d'origine thermique.
>
La propriété des éoliennes par des particuliers
permet à toutes et à tous de participer directement à la conservation
de notre environnement.
>
Selon EDF, « ... l'énergie éolienne se révèle
une excellente ressource d'appoint d'autres énergies, notamment durant les
pics de consommation, en hiver par exemple. »
>
Elle ne produit pas de déchets toxiques ou radioactifs car
une éolienne est constituée principalement de métal et de matière
plastique.
>
Une éolienne est en grande partie recyclable car construite
en acier. Après son temps de fonctionnement (environ 20 ans), elle est entièrement
démontable. Elle n'aura laissé aucun produit contaminant autour d'elle
et pourra être facilement remplacée.
Inconvénients
Plusieurs facteurs peuvent freinent l'implantation des éoliennes :
>
L'électricité éolienne est une énergie
intermittente. C'est une des raisons qui, historiquement, a fondé le remplacement
des moulins par des machines à vapeur pour la meunerie, le pompage, etc.
>
L'énergie éolienne ne suffit pas en elle-même
à définir une politique énergétique et environnementale.
Par exemple, le Danemark, champion incontestable de l'énergie éolienne
(plus de 500 W installés par habitant) ne produit que 20% de son électricité
par l'éolien et a du développer d'autres énergies renouvelables
et des mesures d'efficacité énergétiques pour réduire
sa production de gaz à effet de serre.
>
La puissance électrique disponible représente en moyenne
entre 20 et 40% de la puissance installée, selon la force du vent. Il en
résulte un surcoût non négligeable relatif à l'immobilisation
du capital.
>
Quoique que l'esthétique d'une éolienne soit une affaire
de goût qu'on ne peut objectivement trancher, les riverains craignent généralement
une dégradation visuelle des sites concernés, ainsi qu'un impact sur
l'écosystème par le bruit des éoliennes et les interférences
électromagnétiques induites par leurs générateurs (seulement
sur les très grandes éoliennes)
>
La crainte du bruit produit par une éolienne. Ce bruit peut
être d'origine mécanique ou aérodynamique. Si les premières
générations d'éoliennes émettent un bruit relativement
important; les éoliennes plus récentes ont bénéficié
de nombreuses améliorations, ce qui a permis de réduire considérablement
leurs émissions sonores. Le bruit de l'éolienne et sa perception dépendent
de plusieurs facteurs :
o
Intrinsèques, liés à l'éolienne et à
sa puissance acoustique ;
o
Dépendants de topographie, nature du sol, géométrie
de l'éolienne et du lieu « récepteur » ;
o
Dépendants de la météo (vent, hygrométrie)
- le bruit porte un peu plus dans l'air humide ;
o
Liés au milieu environnant : végétalisation,
substrat rocheux, terre, etc qui absorbent ou renvoient plus ou moins le bruit ;
