L’ énergie éolienne

Introduction Aujourd’hui, il est plus économique de produire de l’électricité avec l’énergie éolienne qu’avec des combustibles fossiles (Pétrole, Charbon…) L’ éolien est l’énergie renouvelable qui a connu la plus forte croissance entre 1995 et 2005 concernant la production d’électricité: 28,5% La WWEA (World Wind Energy Association) prévoit une puissance installée de 160000MW à l’horizon 2010 contre 73900 MW en 2007.

Progression de l’énergie éolienne

Classement des pays producteurs 1: Allemagne: 20,60 GW 2: Espagne: 11,61 GW 3: Etats-Unis: 11,60 GW 4: Inde: 6,27 GW 5: Danemark: 3,13 GW 6: Chine: 2,40 GW 7: Italie: 2,10 GW 8: Royaume uni: 1,96 GW 9: Portugal: 1,67 GW 10: France: 1,57 GW 11: Pays bas: 1,56 GW 12: Canada: 1,45 GW 13: Japon: 1,39 GW 14: Autriche: 0,965 GW 15: Australie: 0,817 GW TOTAL MONDIAL: 73,90 GW

Le fonctionnement d’une éolienne 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. 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 un générateur électrique. Le rotor est relié à la nacelle par le moyeu. Une nacelle montée au sommet du mât, abritant les composants mécaniques, pneumatiques, certains composants électriques et électroniques, nécessaires au fonctionnement de la machine.

Schéma d’une éolienne L’orientation est assuré par une dérive sur les petites éoliennes. Un dispositif électronique composé d’une girouette et d’un anémomètre gère l’orientation des grandes éoliennes

Les 3 familles d’éoliennes Le grand éolien: P>250kW Le moyen éolien: 36kW<P<250kW Le petit éolien: 100W<P<36kW

Le grand éolien 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. Fonctionne même à très faible vent (vitesse de vent de démarrage proche de 10km/h) Type d’éolienne le plus coûteux mais le plus rentable.

Centrale éolienne de Donzère (Drôme) 5 Aérogénérateurs Nordex N43: 600kW à 48km/h Diamètre du rotor: 43m : Altitude de la nacelle: 50m

Girouette et anémomètre Radiateur Arbre Lent Génératrice Rotor Frein à disque Girouette et anémomètre Radiateur Arbre Lent Génératrice Multiplicateur Tableau électrique Arbre rapide Dispositif d’orientation des pales Dispositif d’orientation de la nacelle

Le moyen éolien Aérogénérateurs de 36kW à 250kW Le moyen éolien est principalement utilisé dans les zones cycloniques où il est nécessaire d’abaisser l’éolienne pour éviter sa destruction en cas de cyclone. Ces éoliennes sont étudiées pour être raccordées sur le réseau de distribution BT

L’éolienne Fuhrländer FL-100 Puissance: 100kW à 45km/h Hauteur du mat: 35m Diamètre du Rotor: 21m

Le petit éolien Ce type d’éolienne est principalement installé par les particuliers Elle nécessite un vent assez important et régulier pour être rentable. Les turbulences dues à la proximité de bâtiments et/ou de végétation affectent grandement l’efficacité du dispositif. Les petites éoliennes peuvent être utilisées pour l'électrification de site isolé, mais aussi pour la connexion réseau (revente au distributeur)

Les petites éoliennes Eolienne 7,5kW Narbonne, France Eolienne Air X 400W Installée chez ERM Automatismes Carpentras, France

L’éolienne AIR-X Puissance 400W pour un vent de 45km/h Vent de démarrage: 11km/h Vent maximal: 177km/h Tension 12V sur système « Kit Photovoltaïque » Tension 24V sur système « Solerm Site Isolé » Alternateur sans balais à aimants permanents (Brushless) Diamètre du rotor: 1,17m Masse de l’éolienne: 5,8kg

Le cas des éoliennes à axe vertical Eolienne Darrieus type «giromill» 1kW Mini Eolienne Savonius spirale 100W Eolienne de type Darrieus 4MW Parc Eole - Cap Chat - Québec

Les éoliennes à axe vertical Insensible à la direction du vent Supporte de très forts vents Certains types d’éoliennes verticales nécessitent d’être lancées Coût d’achat beaucoup plus élevé qu’une éolienne à axe horizontal pour une puissance équivalente Solution connue depuis bientôt 100ans et pourtant peu utilisée: question de l’efficacité réelle de la technologie.

Les génératrices On retrouve 2 types de machines électriques utilisées en tant que génératrice dans une éolienne: Génératrice Asynchrone Triphasée: Il s’agit en fait d’un moteur asynchrone fonctionnant au-delà de la vitesse de synchronisme. C’est le type de génératrice le plus courant dans une éolienne: La génératrice possède un bon rendement, elle s’accorde automatiquement à la fréquence du réseau et le coût de fabrication est faible. Génératrice Synchrone ou Alternateur La vitesse de rotation de l’éolienne fixera la fréquence de la tension de sortie. Pour obtenir une tension synchronisée au réseau en toute circonstances, il sera nécessaire de redresser puis d’onduler la tension. Nécessite une connexion permanente à une source de tension continue pour créer le champ magnétique du rotor, ou utilisation d’un aimant permanent (moteur brushless) Plus complexe à construire et plus chère (aimants permanents, convertisseur), la génératrice synchrone est relativement peu utilisée, mais elle devrait se développer car elle est plus souple pour le raccordement au réseau

L’avenir: Eoliennes Urbaines Eolienne à axe horizontal et à pales horizontales en test à Equihen-Plage (Pas de Calais) Puissance = 6kW, Constructeur: Windwall Eolienne urbaine hybride à axe vertical «Turby» 2,5kW

L’avenir: Le grand Eolien Offshore Les éoliennes sont implantées dans la mer, à quelque kilomètres des côtes, pour réduire l’impact visuel. Le vent est, souvent, moins important que sur la terre ferme, mais beaucoup plus régulier. Cette implantation en mer permet d’envisager de gigantesques fermes éoliennes par exemple sur des hauts fonds, où la navigation est impossible. Le seul inconvénient de l’éolien offshore est le transport de l’énergie jusqu’à la côte (Longueur de câble, câble sous marin etc.…)

Formules mathématiques Vitesse de rotation spécifique λ λ=(ω.r) / V ω: Vitesse de rotation de l’éolienne (tr/min) r: rayon du rotor (m) V: Vitesse du vent (m/s) Les machines peuvent être classées en fonction de ce paramètre. Si λ est inférieur à 3, l’éolienne est dite « lente »; si il est supérieur à 3 l’éolienne est dite « rapide ». A titre d’exemple, des éoliennes bipales peuvent avoir un paramètre λ égal à 20. Cependant , une grande vitesse de rotation peut entraîner des nuisances telles que le bruit.

Formules mathématiques Puissance du vent Pv (W) Pv=ρ.Sb.V3 ρ : Masse volumique de l’air (kg/m3) Sb: Surface Balayée par les pâles (m²) V : Vitesse du vent (m/s) Puissance récupérable par une éolienne. Péo= ½.Cp.Pv Cp: Coefficient de performance de l’éolienne La puissance aérodynamique P est la puissance du vent contenue dans un cylindre de section égale a la surface des pâles et non la puissance en entrée de la génératrice. La théorie de Betz définit un Cp maximal de 16/27 pour une éolienne à axe horizontal. D’où la puissance limite récupérable par une éolienne « parfaite » avant conversion: Plim= 8/27. ρ.Sb.V3

Formules mathématiques Coefficient de Couple Cc Cc = Cm/Ca = Cp / λ Cp: Coefficient de performance λ : Vitesse de rotation spécifique Cm: Coupe moteur en bout d’arbre du rotor (N.m) Ca : Couple Aérodynamique (N.m) Le coefficient du couple (Cc) est le rapport du couple moteur Cm qui s’exerce sur l’arbre de sortie du rotor (Cm = Pm / ω) au couple aérodynamique Ca.

Rendement des éoliennes L’énergie cinétique du vent récupérée par les pâles n’est pas totalement transformée en énergie électrique: Il y a beaucoup d’équipements de l’éolienne qui engendrent des pertes: Roulements, Multiplicateur de vitesse, Génératrice, Electronique de puissance. Le rendement mécanique est de l’ordre de 90% et le rendement de la génératrice est de 96% en moyenne. On obtient un rendement global de 86,4%.

Régulation de puissance des éoliennes Plage de production Puissance Nominale Vitesse du vent Vitesse Maximale Vitesse de démarrage Vitesse Nominale

Régulation de puissance des éoliennes Système «Pitch» à pas variable: Inclinaison des pâles pour modifier l’accroche au vent. Cette régulation est faite à partir des relevés de l’anémomètre de l’éolienne. Ce système est très efficace, mais coûteux car il nécessite un dispositif complexe pour orienter les pales. Ce système est présent sur les éoliennes de forte puissance (supérieure à 100kW). Système «Stall» à décrochage aérodynamique: Le profil des pâles est tel qu’au dela d’une certaine vitesse de rotation les turbulences créées font chuter la puissance. Ce système est simple et fiable mais il en résulte une moins bonne exploitation des forts vents. Système hybride: «Stall Actif»