Tout savoir sur le fonctionnement d’une éolienne

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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.

Critères de choix de sites éoliens

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 :
  • Intrinsèques, liés à l'éolienne et à sa puissance acoustique ;
  • Dépendants de topographie, nature du sol, géométrie de l'éolienne et du lieu « récepteur » ;
  • Dépendants de la météo (vent, hygrométrie) - le bruit porte un peu plus dans l'air humide ;
  • Liés au milieu environnant : végétalisation, substrat rocheux, terre, etc qui absorbent ou renvoient plus ou moins le bruit ;

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