Énergie éolienne : pourquoi ça marche ?

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1 Énergie éolienne : pourquoi ça marche ?
Sandrine Aubrun-Sanches Maître de conférences Institut PRISME / Polytech’Orleans Institut PRISME / Polytech’Orléans 8, rue Léonard de Vinci 45072 Orléans cedex Tel :

2 Les énergies renouvelables
Directives européennes de 2001 pour la promotion des énergies renouvelables: 5,75% de biocarburants en 2010 Eléctricité propre, de 14% en 1997 à 21% en 2010 50% de la production de chaleur d’origine renouvelable en 2015

3 Les énergies renouvelables
Nécessité économique et écologique…

4 Capacité installée dans le monde

5 L’énergie éolienne dans le monde

6 L’énergie éolienne en Europe
En 2003, la Commission Européenne prévoit une capacité d’énergie éolienne installée de: 79.8 GW in 2010 144.8 GW in 2020 213.5 GW in 2030. Estimation revue 9 fois à la hausse entre 1996 et 2003

7 L’énergie éolienne en Europe

8 L’énergie éolienne offshore en Europe

9 L’énergie éolienne en France
Mars 2009 Prévisions : MW en 2020

10 Les challenges de l’éolien
Installations off-shore Ferme d’éoliennes Taille des éoliennes

11 Les composants Énergie cinétique  énergie mécanique  énergie électrique Vitesse de rotation  10 à 50 tr/min moyeu pales nacelle 5) l’arbre lent 6) Le multiplicateur 7) Le frein 8) l’arbre rapide 9) Génératrice 10) Système de refroidissement 11) Anémomètres et girouettes tour

12 Les disciplines concernées
Estimation des ressources éoliennes Aérodynamique Structures et matériaux (aéroélasticité) Génération d’électricité Intégration au réseau électrique Impact environnemental Finances, économie, régulations, publicité

13 Les disciplines concernées
Estimation des ressources éoliennes Aérodynamique Structures et matériaux (aéroélasticité) Génération d’électricité Intégration au réseau électrique Impact environnemental Finances, économie, régulations, publicité

14 Les vents globaux

15 Les vents de surface 200 premiers mètres de l’atmosphère
Dépendants de la rugosité du terrain et la présence d’obstacles: végétation relief Urbanisation Vents locaux (brise de mer, vent de montagne) Vents de surfaces ≠ vents globaux

16 Potentiel éolien Estimer le potentiel éolien d’un site
En prospection En temps réel Codes de calcul météorologique méso- échelles Code de calcul pour modéliser la couche limite atmosphérique

17

18 La rose des vents

19 Variations météorologiques
Variations journalières (cycle diurne) Variations saisonnières Variations annuelles

20 La couche limite atmosphérique
Increasing complexity of the wind flow Boundary layer Mixed layer Surface layer Urban roughness 50m 100m m Geostrophic wind

21 Les types de terrain Terrain peu rugueux Terrain modérément rugueux
Terrain rugueux Terrain très rugueux

22 Les types de terrain Cas extrêmes

23 La couche limite atmosphérique
Modélisation des 100 – 200 mètres de la couche limite atmosphérique (profil puissance) Incluant la couche de surface (60 – 100 mètres) (profil logarithmique) Régi par la rugosité du sol z0, longueur de rugosité

24 (modérément rugueux à rugueux)
Exemple de profil (modérément rugueux à rugueux)

25 (modérément rugueux à rugueux)
Exemple de profil (modérément rugueux à rugueux)

26 La turbulence

27 La turbulence Intensité de turbulence très rugueux rugueux
modérément rugueux peu rugueux Intensité de turbulence

28 Cas idéal Les terrains peu rugueux (mer, glace) sont privilégiés
Profil de vitesse plat  rendement optimal Turbulence plus faible  moins de fatigue structurelle (moins de vibration)

29 Les disciplines concernées
Estimation des ressources éoliennes Aérodynamique Structures et matériaux (aéroélasticité) Génération d’électricité Intégration au réseau électrique Impact environnemental Finances, économie, régulations, publicité

30 Le fonctionnement La puissance du vent

31 Extraction d’énergie cinétique
Le fonctionnement Extraction d’énergie cinétique de l’écoulement distorsion des lignes de courant Puissance extraite f(V1-V2) (loi de Betz)

32 La loi de Betz (1919) P/Pvent

33 Coefficient de puissance = Puissance extraite/ Puissance du vent
Cp Exemple de l’éolienne Neg Micon NM52/900

34 Aérodynamique de pales
V

35 Aérodynamique de pales
V Bernoulli : le long d’une ligne de courant, si la vitesse augmente, la pression diminue

36 Aérodynamique de pales
portance Forte dépression V Faible dépression Bernoulli : le long d’une ligne de courant, si la vitesse augmente, la pression diminue

37 La portance Cz décrochage

38 Aérodynamique des pales en rotation
w V wR W a

39 Aérodynamique des pales en rotation
b b a a wR W portance V traînée

40 Aérodynamique des pales en rotation
b b a a wR W portance couple V Traînée globale traînée = a (R) en pied de pale, a grand En bout de pale, a petit

41 Aérodynamique des pales en rotation
V wR W b a = a (R) en bout de pale, petit a en pied de pale, grand a risque de décrochage pale vrillée

42 Aérodynamique des pales en rotation
Répartitions de couple et d’incidence le long de la pale a < 10° sur la partie de la pale qui fournit l’essentiel du couple Obtenues avec le code de calcul EOLE Calage : 8° ; Vitesse : 14 m.s-1

43 Aérodynamique des pales
La corde des pales n’est pas constante

44 Contrôle de la puissance
Vitesse optimale de fonctionnement 15 m/s Si V > 15 m/s, il faut perdre de l’énergie Contrôle à calage variable de pales = contrôle actif (éolienne à pas variable) Ingénierie complexe Régulation par décrochage aérodynamique = contrôle passif (éolienne à pas fixe) Si V augmente, a augmente décrochage local perte de portance

45 Sillage d’une éolienne
Impact sur les éoliennes situées en aval

46 Interaction

47 D’autres concepts: Eoliennes à axe vertical
Rotor de Darrieus Rotor de Savonius

48 Les disciplines concernées
Estimation des ressources éoliennes Aérodynamique Structures et matériaux (Aéroélasticité) Génération d’électricité Intégration au réseau électrique Impact environnemental Finances, économie, régulations, publicité

49 Généralités L’éolienne doit pouvoir supporter des vents très forts
Nombre de pales restreint (3 pales) Turbulence très élevée Fatigue des structures Étude oscillatoire des structures w V couple traînée

50 Résistance des pales

51 La tour tubulaire d’acier en treillis haubanés

52 Les pales et la nacelle Les grandes éoliennes Les petites éoliennes
Matériaux plastiques + fibre de verre Les petites éoliennes Aluminium et acier

53 Les disciplines concernées
Estimation des ressources éoliennes Aérodynamique Structures et matériaux (Aéroélasticité) Génération d’électricité Intégration au réseau électrique Impact environnemental Finances, économie, régulations, publicité

54 La génératrice Transforme l’énergie mécanique en énergie électrique
Génère un courant alternatif triphasé de 680V Transformé en 10 ou 30 kV pour être raccordé au réseau Signal électrique en 50 Hz (60 Hz aux U.S.A.)

55 La génératrice asynchrone
Rotor en cage d’écureuil Barreaux d’aluminium reliés par deux cercles métalliques Matériau conducteur Champ magnétique tournant => courant induit dans les barreaux de la cage Vrotor = 1.01 Vchamp magnétique

56 La génératrice asynchrone
Indépendant du nombre de pôles Doit être relié au réseau électrique pour générer le champ magnétique tournant

57 Les disciplines concernées
Estimation des ressources éoliennes Aérodynamique Structures et matériaux (Aéroélasticité) Génération d’électricité Intégration au réseau électrique Impact environnemental Finances, économie, régulations, publicité

58 Raccordement au réseau
Raccordement direct si le signal électrique généré est à 50Hz (pas réaliste) Raccordement indirect transformateurs filtres

59 Intégration au réseau électrique
Énergie éolienne = Énergie « fatale » … Dixit RTE (Gestionnaire du Réseau de Transport d’Électricité)

60 Intégration au réseau électrique
Une éolienne tourne 80 à 90% du temps mais pas à sa puissance nominale Sa production est ramenée au nombre d’heures si elle fonctionnait à son optimum: Bon sites : 3000 h /an (1 an = 8760h) En Beauce : 2500 à 2700 h/an Allemagne : 1800 h/an

61 Énergie complémentaire associée à d’autres formes de production
Choix des sites Obligation d’achat par EDF de l’électricité à 0,082 € du kWh pendant 10 ans Puissance installée ≤ 12 MW (jusqu’en 2007) Prix du kWh entre 0,05 et 0,07€ (0,027€ pour le nucléaire, 0,035€ pour le gaz) Différence répercutée sur la facture des particuliers (0,60€ / an / foyer)

62 Les disciplines concernées
Estimation des ressources éoliennes Aérodynamique Structures et matériaux (Aéroélasticité) Génération d’électricité Intégration au réseau électrique Impact environnemental Finances, économie, régulations, publicité

63 Impact sur le milieu biologique
Eoliennes et oiseaux Oiseaux migrateurs Oiseaux locaux (suivant les études: 0,1 à 4 oiseaux tués / éolienne / an) Chauve-souris Eoliennes et végétation Emprise au sol faible Terrassement Réseau routier Zones d’assemblage Clauses de démantèlement

64 Impact sur les humains Attention chute d’objets…. Nuisance sonore
Distance minimale : 6 fois la hauteur totale Nuisance sonore 1 éolienne : 45dB à 100m 30 éoliennes : 45dB à 500 m Insertion paysagère de « C’est affreux… » à … « c’est superbe!! » L’ombre des éoliennes Les travaux Syndrome « Not in my back yard »

65 Les disciplines concernées
Estimation des ressources éoliennes Aérodynamique Structures et matériaux (Aéroélasticité) Génération d’électricité Intégration au réseau électrique Impact environnemental Finances, économie, régulations, publicité

66 Retombées locales Exemple : communauté de communes de Janville
27 éoliennes, soit 60MW installés 4000€/éolienne/an pour le propriétaire terrien (location) 4000€/éolienne/an pour la Région Centre (taxe professionnelle) 10000€/éolienne/an pour le département Eure et Loir (taxe professionnelle) 10000€/éolienne/an pour la communauté de communes (taxe professionnelle)

67 Coûts d’un projet éolien
coût moyen du kW installé : 1,7 k€ Durée de vie : ans (plus long en mer)

68 Les composants COMPOSANTS % (en valeur) Pales 14 % Moyeu 3 %
Multiplicateur Génératrice 8 % Roulements 4 % Groupe hydraulique Electricité 9 % Nacelle et capot Assemblage Divers 5 % Mât 24 % Total : 100.0%

69 Les constructeurs Nordex (Allemagne) Vestas (Danemark)
Liste non exhaustive Nordex (Allemagne) Vestas (Danemark) Dewind (Allemagne) Enercon (Allemagne) Ecotècnica (Espagne) Gamesa Eolica (Espagne) Enron Wind (USA) Vergnet (Orléans, France) « petit éolien » …

70 Bibliographie Sites internet Livres Conférences www.ademe.fr (ADEME)
(association danoise) (Meteofrance) (European Wind Energy Association) Livres Wind Energy Handbook (Wiley & Sons) Guide de l’énergie éolienne (Coll. Etudes et filières) Conférences European Wind Energy Conference, nov. 2004, Londres.

71 Installations offshore
Solution miracle Vent constant et peu turbulent Grande étendue : ferme d’éoliennes Pas de population Peu visible du continent Difficultés technologiques Raccordement au réseau continental Fondations des éoliennes Salinité et corrosion construction

72 Installations offshore exemple au Pays-Bas
D’ici 2020 25 fermes 50  200 km2 6 GW installé  Perturbation de l’écoulement Corten et al. (EWEC 2004)

73 Les forces de Coriolis Observateur extra-terrestre
Observateur terrestre

74 Les forces de Coriolis Observateur extra-terrestre
Observateur terrestre

75 Aérodynamique des pales en rotation
Incidence des pales agéo : Incidence géométrique b : Calage des pales Contrôlés par l’opérateur Obtenue à l’aide d’un code de calcul de type ligne portante ainduit : Incidence induite

76 Aérodynamique des pales en rotation
La corde des pales n’est pas constante Ecoulement attaché Ecoulement radial Ecoulement décollé Décrochage 3D

77 Aérodynamique des pales
Aile de faible allongement Dépression relative extrados Surpression relative intrados Écoulement extrados divergent Écoulement intrados convergent  Perte de portance

78 Tourbillon marginal