L'énergie éolienne
Origine de l'énergie: le soleil :
Il existe « plusieurs » vents qui trouvent leur origine dans l'énergie émise par le soleil. Environ 1 à 2% de l'énergie émise par le soleil est convertie en énergie éolienne. On parlera de vents globaux agissant dans la troposphère. Ceux-ci sont avant tout le produit d'écarts de température et des variations de pression qui en suivent. Par la circulation de masses d'air, il y a création de zones de basse pression (dépression) et de haute pression (anticyclone).
En matière d'énergie éolienne, ce sont les vents de surface et leur capacité énergétique qui présentent le plus grand intérêt (- de 100m d'altitude). Ces vents trouvent leur origine dans les différences de température entre la terre et la mer.
La détermination des directions du vent joue un rôle important lors de l'installation d'éoliennes. Les vents de surfaces sont influencés par les vents globaux, mais lorsque ces derniers sont faibles, la géographie locale peut être influencée par des obstacles (immeubles, arbres, rochers, « tunnel », colline, parc). Il doit y avoir aussi peu d'obstacles que possible dans la direction dominante (face à l'éolienne).
Ainsi, il faut d'abord lever bien haut l'éolienne pour qu'elle puisse profiter au maximum des vents. Ceci nécessite une tour toujours élevée par rapport à la taille de l'éolienne proprement dite. Une petite éolienne va être installée à 18 mètres de hauteur, c'est-à-dire au moins aussi haut que le sommet des poteaux électriques. Une grande éolienne s'élèvera à plus de 30 mètres.
Les différents types d'éoliennes :
Il existe deux types d'éoliennes:
A axe horizontal
Les éoliennes à axe horizontal (ou à hélice) sont de conception plus simple et ont un rendement élevé. Elles sont dès lors plus répandues. Leurs caractéristiques communes sont d'être montées au sommet d'un pylône et d'être équipées d'un système d'orientation dans le vent. Elles sont appelées éoliennes à axe horizontal car l'axe de rotation du rotor est horizontal, parallèle à la direction du vent.
A axe vertical
Les éoliennes à axe vertical ne nécessitent pas de système d'orientation par rapport à la direction du vent, mais sont, en général, de conception assez compliquée. Des pales longilignes sont entraînées par un axe massif et vertical.
Les principaux composants d'une éolienne :
- 1 : Rotor
- 2 : Pales
- 3 : Multiplicateur
- 4 : Génératrice
- 5 : Mécanisme d'orientation de la nacelle
- 6 : Système hydraulique
- 7 : Frein
Une éolienne comprend de nombreux composants :
- -Lorsqu'il se met à souffler, le vent exerce un système de forces sur l'hélice qui, alors, se met à tourner. Les pales qui constituent ensemble le rotor, captent le vent et transfèrent sa puissance au moyeu du rotor.
- -Le moyeu du rotor est fixé à l'arbre lent de l'éolienne,
- -L'arbre lent de l'éolienne lie le moyeu du rotor au multiplicateur,
- -le multiplicateur est situé à droite de l'arbre lent. Il fait tourner l'arbre rapide à une vitesse supérieure à celle de l'arbre lent,
- L'arbre rapide entraîne la génératrice électrique,
- -La génératrice (ou l'alternateur) est généralement asynchrone. La puissance électrique maximale d'une éolienne moderne se situe normalement entre 600 et 2.500 kW,
- -la nacelle contient les principaux composants d'une éolienne, entre autre le multiplicateur et la génératrice,
- -Le système d'orientation utilise des moteurs électriques pour pivoter la nacelle avec le rotor de sorte que celui-ci soit toujours orienté face au vent. (la direction du vent est enregistrée grâce aux signaux émis par la girouette non représentée.)
- -le mat d'une éolienne supporte la nacelle et le rotor,
L'énergie électrique peut être distribuée sur le réseau grâce à un transformateur.
Malgré son apparente légèreté, la nacelle contient tout l'équipement pour produire l'énergie (pour les grandes éoliennes, la nacelle peut peser plus de 30 tonnes et avoir la taille d'une fourgonnette!). L'efficacité maximum de l'éolienne est obtenue lorsque l'hélice est face au vent, donc perpendiculaire. Sur les petites éoliennes, c'est une girouette qui force la nacelle à rester dans l'axe du vent. Il n'existe pas de telles girouettes sur les grandes éoliennes, pour deux raisons : la nacelle a tendance à osciller continuellement, ce qui use son axe vertical ; le poids considérable des grandes éoliennes exigerait une girouette énorme.
Ces éoliennes se trouvent donc télécommandées par une petite girouette/anémomètre située sur ou à côté de l'éolienne. C'est ce petit dispositif qui ordonne à la grande nacelle de s'orienter vers une autre direction lorsqu'elle détecte que le vent a tourné. Tant que le vent est stable, venant du sud-ouest par exemple, l'orientation de l'éolienne ne changera pas.
Principe de fonctionnement :
L'éolienne en tant qu'aérogénérateur
Les pales (1), montées sur un mat de 10 à 20m sont couplées à un rotor (2) entraînant à son tour une génératrice (3) qui va transformer l'énergie mécanique produite (mouvement) en électricité.
Ensuite deux solutions sont envisageables :
L'électricité produite sera stockée dans des batteries (en courant continu) puis utilisée directement avec des appareils électriques spéciaux fonctionnant en courant continu ou bien transformée, via un onduleur (transformateur continu / alternatif), en courant alternatif 220 V identique à celui délivré par le réseau E.D.F.
L'électricité produite est directement injecté dans le réseau électrique après transformation dans le convertisseur en courant alternatif.
Les parcs éoliens d'une puissance supérieure ou égale à 10 MW se raccordent au réseau haute tension, 63 000 Volts.
Les parcs éoliens d'une puissance inférieure à 10 MW se raccordent au réseau moyenne tension, 20 000 Volts.
Les parcs d'aérogénérateurs (ou fermes éoliennes) ont pour but de fournir de l'électricité à l'échelle d'une région ou d'un pays !
Une éolienne capte l'énergie cinétique du vent et la convertit en un couple qui fait tourner les pales du rotor. Trois facteurs déterminent le rapport entre l'énergie du vent et l'énergie mécanique récupérée par le rotor : la densité de l'air, la surface balayée par le rotor et la vitesse du vent:
- -L'énergie cinétique contenue dans un objet en déplacement est proportionnelle à sa masse volumique (ou son poids) donc plus l'air est dense, plus la partie de l'énergie récupérable par l'éolienne est importante.
- -La surface balayée par le rotor s'accroît avec le carré du diamètre du rotor, si bien qu'un doublement de celui-ci entraînera une récolte de 2^2 = 2 x 2 = 4 fois plus d'énergie. Plus le diamètre du rotor sera grand, plus la puissance récupérable sera importante dans un vent donné. La gamme des éoliennes disponible est très large, de 50 Watt (diamètre de 90 m) à 2500 kW et plus (+ de 80 m de diamètre).
- -L'énergie transportée par le vent varie avec le cube de la vitesse moyenne du vent. Ainsi, un doublement de la vitesse du vent correspond à une augmentation de sa capacité énergétique de 2^3, soit 2 x 2 x 2 = 8 fois.
Plage de fonctionnement et puissance restituée :
Une éolienne, quelle que soit sa puissance, a une plage de fonctionnement bien délimitée en fonction de la vitesse du vent. Dans la plupart des cas, si la vitesse du vent est inférieure à 3 m/s soit 10 Km/h, l'éolienne ne tourne pas ou bien n'est pas connectée au réseau, ce qui revient au même en terme de fourniture d'énergie. Si le vent dépasse une certaine vitesse, qui est fonction de la technologie utilisée, l'éolienne est arrêtée. La vitesse limite de fonctionnement est de l'ordre de 90 Km/h, au-dessus de laquelle l'éolienne est purement et simplement stoppée.
Les courbes de puissance sont basées sur des mesures faites dans des conditions de mesures idéales: peu de turbulence dues à des obstacles et un vent soufflant directement vers la face de l'éolienne. Il est alors difficile de reproduire de façon exacte la courbe de puissance d'une éolienne installée sur un site donné. Ces courbes de puissances sont également établies pour une pression de l'air et une température standard : là encore, nécessité de corriger les données. Enfin, il s'agit de rendu de puissance pour des vents continus. La puissance restituée variant avec le cube de la vitesse du vent, les résultats ne seront pas les mêmes pour un vent très variable.
Rapport taille / puissance :
Une machine de 0,75 MW peut mesurer plus de 70 mètres de haut, l'axe du rotor, qui se trouve à 50 mètres du sol, fait plus de 40 mètres de diamètre. Les grandes machines de 2,5 MW atteignent 120 mètres de haut, un ascenseur est alors nécessaire pour grimper dans leur mât! La puissance des plus grosses éoliennes actuelles est de l'ordre de 2,5 MW et atteindra bientôt 3 voire 4 MW.
A titre de comparaison, 10 MW correspondent à l'électricité domestique, hors chauffage, consommée par 5 650 foyers, soit près de 15 000 personnes. La plupart des machines installées actuellement sont des modèles de 0,75 MW. On note une tendance à préférer des machines plus puissantes et en moins grand nombre pour une installation donnée.
| Hauteur du mat | Diamètres des pales | Puissance | |
|---|---|---|---|
| Petites éoliennes | De 10 à 15 m | De 1 à 9 m | De 20 à 550Kw/h |
| Grandes éoliennes | 60m et plus | De 15 à 60 m | Jusqu'à 2000Kw/h |
Implantations :
L'observation de la nature constitue une aide excellente lors de l'identification d'un bon site éolien. En effet, il faut de préférence avoir une vue aussi dégagée que possible dans la direction des vents dominants. De même, il faut qu'il y ait aussi peu d'obstacles. Mais, l'implantation d'éolienne nécessite de prendre en considération un certains nombres de critères répertoriés ci après (surtout en vue de diminuer les coûts d'implantation et donc de rentabiliser l'installation de l'éolienne).
Si le vent est présent partout sur la planète il existe des endroits plus ou moins ventés. On parle alors de gisement éolien.
La carte ci-contre fait ressortir les zones à fort gisement éolien (en rouge et bleu) mais une analyse beaucoup plus fine est indispensable pour déterminer si le site retenu peut convenir à l'installation d'un aérogénérateur.
Remarque : On remarque sur cette carte que la France dispose d'un gisement éolien supérieur à celui de l'Allemagne pourtant cette dernière produit soixante fois plus d'électricité éolienne que nous...
EOLIENNES EN MER : L'OFFSHORE
Au large des côtes, le vent est plus fort et plus stable, et la visibilité des éoliennes s'en trouve bien sûr réduite. Favorisés par la faible profondeur des eaux côtières de la Mer du Nord et de la mer Baltique, de multiples projets d'installations d'éoliennes très puissantes, reposant sur les fonds marins à quelques encablures au large, sont donc lancés par nos voisins d'Europe du nord.
Caractéristiques technologiques des éoliennes :
Le support
Les pylônes peuvent être réalisés en acier ou en béton armé. Ils peuvent être autoporteurs et auto résistants ou haubanés. Si l'haubanage permet de réduire les dimensions du mât, par contre il pénalise l'emprise au sol. Pour limiter l'occupation au sol, le supportage de plusieurs éoliennes par une seule structure est envisagée ; dans ce cas, les pylônes constitués de structures métalliques en treillis sont intéressants. Actuellement les mats en caisson, souvent en acier et fortement ancrés au sol, sont très répandus pour les éoliennes de forte puissance.
Les pylônes des machines à axe vertical sont courts, entre 0,1 et 0,5 fois la hauteur du rotor. Ils sont le plus souvent du type haubané.
Les problèmes de corrosion et de montage sont les paramètres principaux dans le choix de la solution à adopter.
L'orientation
Deux solutions sont en concurrence : l'éolienne à rotor face au vent et l'éolienne à hélice sous le vent.
L'éolienne à rotor face au vent nécessite soit une dérive, soit une orientation actionnée par un servomoteur recevant des informations et commandes de la part d'une girouette.
Les capteurs à axe horizontal doivent toujours être orientés pour faire face au vent. Les dispositifs le permettant sont donnés dans le tableau ci-dessous.
Les systèmes les plus simples sont ceux qui laissent l'hélice sous le vent. Le capteur, placé à l'amont du supportage, nécessite une gouverne mais soustrait les pales au sillage de ce supportage. Par contre s'il est placé en aval, la gouverne n'existe plus et les efforts de manoeuvre sont plus faibles. Cette dernière disposition est donc plus simple et donne une stabilité supérieure. Il est cependant utile, dans tous les cas, de monter un amortisseur.
La disposition roue aval est de loin maintenant la plus utilisée, même exclusivement dès que la puissance dépasse quelques kilowatts.
Les changements de direction et les variations de fréquence de rotation liés aux rafales sont à l'origine de vibrations néfastes au bon fonctionnement de la machine. Le dispositif d'orientation devra donc assurer le maintient du rotor face au vent sans provoquer lors des changements brutaux du vent des variations d'orientation rapides de la machine.
Les grandes machines font appel à la technologie électrohydraulique et le contrôle de l'orientation se fait par embrayage et valves hydrauliques.
Les pales
Les pales sont une partie très importante des éoliennes. De leur nature dépendront le bon fonctionnement et la durée de vie de la machine ainsi que le rendement du moteur éolien.
Plusieurs éléments caractérisent ces pales :
Longueur :
Le diamètre de l'hélice est fonction de la puissance désirée. La détermination de ce diamètre fixe aussi la fréquence de rotation maximum, que l'hélice ne devra pas dépasser pour limiter les contraintes en bout de pales dues à la force centrifuge. Il est essentiel de prendre en compte le travail en fatigue des pales et les risques de vibrations, surtout pour les très longues pales. Elles peuvent varier de 8 pour les plus lentes à 30 mètres pour les plus rapide.
Largeur :
La largeur des pales intervient pour le couple de démarrage qui sera d'autant meilleur que la pale sera plus large. Mais pour obtenir des vitesses de rotation élevées, on préférera des pales fines et légères. Le résultat sera donc un compromis.
Le profil :
Pour la plupart des aérogénérateurs de moyenne et de faible puissance, les pales ne sont pas vrillées. Par contre, pour la plupart des machines de grande puissance ( ³ 100 kW), elles le sont, c'est-à-dire qu'elles prennent la forme d'une hélice.
Les caractéristiques des différents profils sont déterminées en soufflerie. Ils ont en général été étudiés pour l'aviation (ailes ou hélices).
Les matériaux :
Les matériaux utilisés pour la réalisation des pales sont variés et ont bénéficié de nombreux progrès, particulièrement ceux dus aux pales d'hélicoptère.
Contrairement à ce que l'on croit fréquemment, ce n'est pas dans le domaine de l'aérodynamique que réside la difficulté mais bien dans celui de la construction et de la résistance des matériaux. En effet, c'est dans le mode de réalisation des pales qu'il y a le plus à faire pour augmenter la sécurité de marche.
Les matériaux utilisés pour la réalisation des pales sont donc essentiels et doivent répondre à plusieurs exigences : ils doivent être assez légers, résistants à la fatigue mécanique, à l'érosion et à la corrosion, et de mise en oeuvre ou d'usinage simple.
On rencontre plusieurs types de matériaux :
- -le bois : il est simple, léger, facile à travailler et il résiste bien à la fatigue mais il est sensible à l'érosion, peut se déformer et est réservé pour des pales assez petites.
- -le lamellé-collé : c'est un matériau composite constitué d'un empilement de lamelles de bois collées ensemble. Il est possible de réaliser des pales jusqu'à 5 à 6 m de longueur ayant une bonne tenue en fatigue.
- -les alliages d'aluminium pour des pales allant principalement jusqu'à 20 m de longueur.
- -les matériaux composites : leur intérêt est de permettre la réalisation de toutes les formes et dimensions, ainsi que d'obtenir les caractéristiques mécaniques exactes recherchées : pale vrillée, corde évolutive, changement de profil.
Nombre de pales :
Les petites éoliennes (à marche lente) ont en général entre 20 et 40 ailettes et ont un couple de démarrage proportionnel au nombre de pales et au diamètre ; leur rendement est faible car leur vitesse en bout de pale est limitée.
Les grandes éoliennes (à marche rapide) sont généralement bipales ou tripales. La roue bipale est la plus économique et la plus simple mais elle est génératrice de vibrations qui peuvent être importantes. La roue tripale présente moins de risques de vibrations, d'où fatigue et bruit plus faibles, mais elle est plus compliquée et plus lourde.
Durée de vie
Une éolienne a une durée de vie minimale de 15 ans. Au terme de son existence, le retour à l'état initial est immédiat, à la différence d'une centrale nucléaire, par exemple.
Coût
Le coût d'investissement d'une éolienne d'une puissance nominale de 1 MW est d'environ 1 million d'euros. Pour estimer le coût réel de l'investissement, il convient de considérer la puissance efficace qui est fonction du nombre d'heures de travail de l'éolienne en équivalent pleine puissance. On constate alors que le coût d'investissement réel avoisine les 3048 euros par kW. Rapporté au nucléaire, le coût d'investissement est alors de 1830 euros.
Avantages et Inconvénients
Avantages
- -Les grandes éoliennes (offshore) peuvent concurrencer à moindre coût l'énergie produite par le nucléaire.
- -Energie renouvelable et gratuite
- -Energie modulable, adapté au capital disponible et aux besoins en énergie (des aérogénérateurs de toutes puissances existent.)
- -Grande fiabilité et frais de fonctionnement limités
- -Installation (et donc démontage aussi) très rapide et relativement simple
- -La période de haute productivité se situe en hiver (vents plus forts), ce qui correspond à la période de l'année où la demande est plus forte.
- -Projets subventionnés par la commission Européenne ainsi que par l'ADEME.
Inconvénients
- -L'énergie éolienne est plus chère que notre électricité. Une petite éolienne n'est pas rentable dans les pays développé.
- -Lorsque la production dépasse la consommation le stockage est encore onéreux. Mais en cas de raccordement au réseau électrique, 100% de l'énergie éolienne est utilisée et le stockage n'est pas nécessaire.
- -Effets sur le paysage : les turbines sont une présence verticale frappante dans le paysage. Il convient donc de prendre soigneusement en compte l'emplacement, la couleur et la forme des aérogénérateurs (d'où l'intérêt du offshore).
- -Le bruit est considéré comme négligeable (comme le vent dans les feuilles d'un arbre) si les habitations sont situées à plus de 300m.
- -Les éoliennes sont encore un investissement important.
- -Les démarches administratives sont très lourdes pour l'installation des grandes éoliennes.