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Énergie éolienne : pourquoi ça marche ? Sandrine Aubrun-Sanches Maître de conférences Institut PRISME / PolytechOrleans Institut PRISME / PolytechOrléans.

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

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

3 Les énergies renouvelables Nécessité économique et écologique…

4 Capacité installée dans le monde

5 Lénergie éolienne dans le monde

6 En 2003, la Commission Européenne prévoit une capacité dénergie éolienne installée de: 79.8 GW in GW in GW in Estimation revue 9 fois à la hausse entre 1996 et 2003 Lénergie éolienne en Europe

7

8 Lénergie éolienne offshore en Europe

9 Lénergie éolienne en France Mars 2009 Prévisions : MW en 2020

10 Les challenges de léolien Taille des éoliennes Installations off-shore Ferme déoliennes

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

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

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

14 Les vents globaux

15 Les vents de surface 200 premiers mètres de latmosphère Dépendants de la rugosité du terrain et la présence dobstacles: végétation relief Urbanisation Vents locaux (brise de mer, vent de montagne) Vents de surfaces vents globaux

16 Potentiel éolien Estimer le potentiel éolien dun 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 rugueuxTerrain modérément rugueux Terrain rugueuxTerrain 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 z 0, longueur de rugosité

24 Exemple de profil (modérément rugueux à rugueux)

25 Exemple de profil (modérément rugueux à rugueux)

26 La turbulence

27 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 Aérodynamique Structures et matériaux (aéroélasticité) Génération délectricité Intégration au réseau électrique Impact environnemental Finances, économie, régulations, publicité

30 Le fonctionnement La puissance du vent

31 Le fonctionnement Extraction dénergie cinétique de lécoulement distorsion des lignes de courant Puissance extraite f(V1-V2) (loi de Betz)

32 La loi de Betz (1919) P/P vent

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

34 Aérodynamique de pales V

35 Bernoulli : le long dune ligne de courant, si la vitesse augmente, la pression diminue V

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

37 La portance Cz décrochage

38 Aérodynamique des pales en rotation V V R W

39 Aérodynamique des pales en rotation V R W portance traînée

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

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

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

43 Aérodynamique des pales La corde des pales nest pas constante

44 Contrôle de la puissance Vitesse optimale de fonctionnement 15 m/s Si V > 15 m/s, il faut perdre de lénergie 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, augmente décrochage local perte de portance

45 Sillage dune éolienne Impact sur les éoliennes situées en aval

46 Interaction

47 Dautres concepts: Eoliennes à axe vertical Rotor de DarrieusRotor de Savonius

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

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

50 Résistance des pales

51 La tour tubulaire dacier en treillishaubanés

52 Les pales et la nacelle Les grandes 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 délectricité Génération délectricité Intégration au réseau électrique Impact environnemental Finances, économie, régulations, publicité

54 La génératrice Transforme lénergie 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 décureuil Barreaux daluminium reliés par deux cercles métalliques Matériau conducteur Champ magnétique tournant => courant induit dans les barreaux de la cage V rotor = 1.01 V champ 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 délectricité Intégration au réseau électrique 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 dÉlectricité)

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 dheures 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 dautres formes de production Choix des sites Obligation dachat par EDF de lélectricité à 0,082 du kWh pendant 10 ans Puissance installée 12 MW (jusquen 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 délectricité Intégration au réseau électrique Impact environnemental 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 dassemblage Clauses de démantèlement

64 Impact sur les humains Attention chute dobjets…. Distance minimale : 6 fois la hauteur totale Nuisance sonore 1 éolienne : 45dB à 100m 30 éoliennes : 45dB à 500 m Insertion paysagère de « Cest affreux… » à … « cest superbe!! » Lombre des éoliennes Les travaux Syndrome « Not in my back yard »

65 Les disciplines concernées Estimation des ressources éoliennes Aérodynamique Structures et matériaux (Aéroélasticité) Génération délectricité Intégration au réseau électrique Impact environnemental Finances, économie, régulations, publicité 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 dun projet éolien coût moyen du kW installé : 1,7 k Durée de vie : ans (plus long en mer)

68 Les composants COMPOSANTS% (en valeur) Pales14 % Moyeu3 % Multiplicateur14 % Génératrice8 % Roulements4 % Groupe hydraulique8 % Electricité9 % Nacelle et capot8 % Assemblage3 % Divers5 % Mât24 % Total :100.0%

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

70 Bibliographie Sites internet (ADEME) (association danoise) (Meteofrance) (European Wind Energy Association) Livres Wind Energy Handbook (Wiley & Sons) Guide de lénergie 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 déoliennes 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 Dici fermes km 2 6 GW installé Perturbation de lécoulement Corten et al. (EWEC 2004)

73 Les forces de Coriolis Observateur terrestreObservateur extra-terrestre

74 Les forces de Coriolis Observateur terrestreObservateur extra-terrestre

75 Aérodynamique des pales en rotation Incidence des pales géo : Incidence géométrique : Calage des pales Contrôlés par lopérateur Obtenue à laide dun code de calcul de type ligne portante induit : Incidence induite

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

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


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