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 Sandrine.aubrun@univ-orleans.fr Tel : 02.38.49.43.94

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

Les énergies renouvelables Nécessité économique et écologique…

Capacité installée dans le monde

L’énergie éolienne dans le monde

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

L’énergie éolienne en Europe

L’énergie éolienne offshore en Europe

L’énergie éolienne en France Mars 2009 Prévisions : 25000 MW en 2020

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

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

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

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

Les vents globaux

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

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

La rose des vents

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

La couche limite atmosphérique Increasing complexity of the wind flow Boundary layer Mixed layer Surface layer Urban roughness 50m 100m 600 ... 1000 m Geostrophic wind

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

Les types de terrain Cas extrêmes

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

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

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

La turbulence

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

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)

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

Le fonctionnement La puissance du vent

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)

La loi de Betz (1919) P/Pvent

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

Aérodynamique de pales V

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

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

La portance Cz décrochage

Aérodynamique des pales en rotation w V wR W a

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

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

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

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

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

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

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

Interaction

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

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

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

Résistance des pales

La tour tubulaire d’acier en treillis haubanés

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

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

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.)

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

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

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

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

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

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

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)

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

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

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 »

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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)

Coûts d’un projet éolien coût moyen du kW installé : 1,7 k€ Durée de vie : 15-20 ans (plus long en mer)

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%

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 » …

Bibliographie Sites internet Livres Conférences www.ademe.fr (ADEME) www.windpower.org (association danoise) www.meteo.fr (Meteofrance) www.ewea.org (European Wind Energy Association) www.eole.org www.suivi-eolien.com Livres Wind Energy Handbook (Wiley & Sons) Guide de l’énergie éolienne (Coll. Etudes et filières) Conférences European Wind Energy Conference, 22-24 nov. 2004, Londres.

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

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)

Les forces de Coriolis Observateur extra-terrestre Observateur terrestre

Les forces de Coriolis Observateur extra-terrestre Observateur terrestre

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

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

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

Tourbillon marginal