Introduction
L'énergie éolienne a été une des premières énergies
renouvelables à être maîtrisée par l'Homme; c'est aussi actuellement l'une des
plus utilisées. En effet, parmi toutes les ressources possibles (biomasse,
Soleil, vent, houle, etc...), elle est aujourd'hui la plus accessible en termes
de technologie et de coût. Elle est donc tout naturellement appelée à prendre
une place importante dans le « mix énergétique » mondial. L'énergie du vent est
gratuite, mais sa récupération ne l'est cependant pas... La production
électrique éolienne est en plein essor. Que ce soit à l'échelle individuelle
avec le petit éolien ou à l'échelle nationale avec le grand éolien, l'énergie
du vent peut contribuer à diversifier la production électrique de façon
décentralisée, en ne produisant directement ni polluants, ni CO2 et
sans crainte d'épuisement de la ressource. L'éolien dit "offshore",
avec des installations situées en mer, tend à se développer également.
Cette partie consacrée à l'énergie éolienne traite des
enjeux, des techniques développées par cette filière, des applications et de
leurs potentialités.
Photographie d'une éolienne
a. Généralités
L'éolien à travers les âges
Moulin de la Roome à Terdeghem
L'Homme a depuis très longtemps cherché à utiliser la force
du vent qui souffle, que ce soit pour faire naviguer un bateau à l'aide d'une
voile ou pour actionner des moulins à vent (remonter l'eau des puits, moudre
les grains...). Les premiers voiliers remontaient le cours du Nil il y a près
de 5 000 ans. De simples pirogues dotées d'une voile rudimentaire permettaient
le peuplement de l'Océanie il y a 3 000 ans. Certains font remonter au Ve siècle avant J.-C. l'apparition des premières éoliennes
comme source d'énergie mécanique (en Grèce avec la première éolienne à axe
vertical, en Egypte avec le moulin à vent à axe horizontal).
Cependant la première présence attestée de moulins à vent date quant à elle du VIe siècle de notre ère,
dans la province iranienne (ancienne Perse) du Khorasan, à Nashtifan, près de
la frontière afghane, dans une région de plateaux battue par des vents forts et
réguliers. Ce moulin utilisé pour l'irrigation, possédait un arbre principal
vertical et ses pâles était constituées de matière végétale. Il faudra ensuite
attendre le VIIe après J.-C. pour voir le développement des moulins à vent en
Europe.
Au XIXe siècle, près de 200 000 moulins à vent fonctionnaient en Europe (utilisés pour l'entraînement des pompes et des
meules). L'idée de fabriquer de l'électricité à partir de l'énergie du vent
date de 1802 avec Lord Kelvin. L'invention de la dynamo vers le milieu du XIXe
siècle permettra les développements amenant à la naissance du principe de
l'éolienne moderne. A la fin du XIXe siècle l'ingénieur danois Paul La Cour
associe pour la première fois une turbine aéraulique à une dynamo électrique.
On peut également citer les travaux de l'ingénieur français Georges Darrieus
qui dans les années 1920 entreprit des travaux des recherches industrielles
débouchant sur la mise au point d'une éolienne bipale à axe vertical.
L'énergie éolienne a ainsi été très utilisée par le passé
avant que le prix du pétrole ne la rende économiquement peu compétitive. Il
faudra attendre le premier choc pétrolier de 1973 pour que les recherches sur
les éoliennes prennent réellement de l'importance, permettant alors la création
d'une offre industrielle crédible et le développement d'un marché important au
Danemark, en Allemagne, en Espagne, aux USA.
Les éoliennes sont les moulins à vents des temps
modernes !
Définition : L'énergie éolienne
L'énergie éolienne est l'énergie cinétique du vent,
qui se manifeste par la force exercée par celui-ci sur la toile d'une voile ou
les pâles d'une hélice.
Le terme « éolien » provient du maître des vents de
la mythologie grecque, le dieu Éole (en grec ancien Αἰόλος / Aiolos).
L'énergie éolienne du vent peut ainsi être transformée et
utilisée pour :
• Produire de l'énergie mécanique : mouvoir un navire équipé
de voile(s), pomper de l'eau, faire tourner la meule d'un moulin ;
• Produire de l'énergie électrique.
Définition : Éolienne et aérogénérateur
Une éolienne est un dispositif mécanique qui permet
de transformer l'énergie cinétique du vent en énergie mécanique.
Lorsque cette énergie mécanique est utilisée pour produire
de l'électricité grâce à un générateur électrique, on appelle l'éolienne un aérogénérateur.
Dans le cadre du cours, nous ne parlerons que des
aérogénérateurs même si par abus de langage, nous emploierons presque
exclusivement le terme d'éolienne et d'énergie éolienne.
Les différents types d'éoliennes
Il existe deux grands types d'éoliennes, caractérisées par
la position de leur axe de rotation par rapport à la direction du vent :
• les éoliennes à axe horizontal sont actuellement
les plus répandues à travers le monde, du fait de leur meilleur rendement.
Elles sont orientables mais elles manquent de couple au démarrage et il y a un
effet important du sillage du rotor.
• les éoliennes à axe vertical, de conception plus
simple, ont cependant un rendement plus faible. Elles sont plus volumineuses,
plus fragiles mécaniquement et d'un entretien plus difficile.
Les éoliennes à axe horizontal
(Les éoliennes à axes verticales, tripales, sont celles qui
sont utilisées pour la production d'électricité à grande échelle.)
Exemple d'éolienne à axe horizontal
Le fonctionnement d'une éolienne
La fabrication d'électricité par une éolienne est réalisée
par la transformation de l'énergie cinétique du vent en énergie électrique, selon plusieurs étapes :
- transformation de l'énergie par les pales : les
pales fonctionnent sur le principe d'une aile d'avion. La différence de
pression entre les deux faces de la pale crée une force aérodynamique, mettant
en mouvement le rotor par la transformation de l'énergie cinétique du vent en
énergie mécanique.
- accélération du mouvement de rotation grâce au
multiplicateur : les pales tournent à une vitesse relativement lente, de
l'ordre de 5 à 15 tours par minute, d'autant plus lente que l'éolienne est
grande. La plupart des générateurs ont besoin de tourner à très grande vitesse
(de 1 000 à 2 000 tours par minute) pour produire de l'électricité. C'est
pourquoi le mouvement lent du rotor est accéléré par un multiplicateur.
- production d'électricité par le générateur :
l'énergie mécanique transmise par le multiplicateur est transformée en énergie
électrique par le générateur. En tournant à grande vitesse, le générateur produit
de l'électricité à une tension d'environ 690 volts.
- traitement de l'électricité par le convertisseur
et le transformateur : l'électricité produite ne peut pas être utilisée
directement. Elle est traitée grâce à un convertisseur, puis sa tension est élevée
à 20 000 volts par un transformateur. L'électricité est alors acheminée à
travers un câble enterré jusqu'à un poste de transformation pour être injectée
sur le réseau électrique.
Plus on augmente la taille des pales de l'éolienne, plus
sa puissance augmente.
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 Relation entre le diamètre du rotor de l'éolienne et sa puissance |
La théorie prévoit qu'en augmentant le nombre de pales, on
augmente le rendement de l'éolienne. Mais en prenant en compte de critères
supplémentaires (rigidité, esthétisme, ...), on arrive à un optimum pour 3
pales (voir tableau ci-dessous) :
Un nombre de pales optimum
Éoliennes horizontales pour le particulier
L'éolienne horizontale pour le particulier fonctionne
globalement selon le même principe que les éoliennes industrielles de grandes
capacités installées dans les parcs éoliens :
- l'éolienne capte le vent (de face ou de dos selon le modèle) grâce à des pales assemblées en hélice ;
- celles-ci tournent autour d'un mât placé horizontalement par rapport au sol ;
- le générateur, actionné par la rotation de l'hélice, et situé en haut de l'éolienne.
Les avantages et inconvénients des éoliennes à axe horizontal pour le particulier
Les éoliennes à axe vertical
Les pales des éoliennes verticales tournent autour d'une
tige positionnée verticalement, comme son nom l'indique. Cette solution est
moins répandue que l'éolienne horizontale. Leur principal avantage est leur
capacité à capter des vents faibles. L'éolienne verticale n'a donc pas besoin
de rafales ou de vents puissants, voire violents, pour fonctionner, car elle
n'a pas besoin de s'orienter par rapport au vent. De plus, elle demande moins
d'espace qu'une éolienne horizontale et peut fonctionner quel que soit le sens
du vent. Cependant l'éolienne verticale démarre moins vite car le poids des
rotors pèse sur l'axe, et provoque des frottements.
Il existe plusieurs types d'éoliennes à axe vertical, comme
par exemple :
- Le type Darrieus repose sur l'effet de portance subi par un profil soumis à l'action d'un vent relatif ; effet qui s'exerce sur l'aile d'un avion.
- Le type Savonius est basé lui sur l'effet de la traînée. Il est constitué schématiquement de deux ou plusieurs godets demi-cylindriques légèrement désaxés. Il présente un grand nombre d'avantages. Outre son faible encombrement, qui permet d'intégrer l'éolienne aux bâtiments sans en dénaturer l'esthétique, il est peu bruyant. Il démarre à de faibles vitesses de vent et présente un couple élevé quoique variant de façon sinusoïdale au cours de la rotation.
Certains constructeurs ont également conçu des éoliennes
intégrant à la fois la technologie Darrieus et la technologie Savonius en
cherchant à combiner les avantages de ces deux technologies (éolienne notée g
sur la figure ci-dessous).
Les avantages et les inconvénients des éoliennes Darrieus et Savonius
Exemples d'éoliennes à axe vertical
On trouve différents types d'éoliennes Darrieus.
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Les différents types d'éoliennes Darrieus
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Source : Siemens AG
Chambre de Commerce et d'Industrie de la Meuse
"L'énergie éolienne", disponible sur < http://www.lorraine-reel.net/attachments/article/1668/energie-eolienne.pdf >, 2012.
Source : http://www.domsweb.org/ecolo/eolien.php
Source : H. Jeanmart, cours sur les énergies renouvelables : l'énergie éolienne, disponible sur : http://www.bepita.net/materiels/nrj_renouv/energie_eolienne.pdf
Source : Wind Power Generation and Wind Turbine Design, WITPress, 2010
Source : web
Cours Master Énergie Solaire UPVD - Régis Olives
Le développement de la filière éolienne
C'est surtout grâce à des tarifs liés aux fortes
subventions, à son image vertueuse et à l'espoir que son développement
industriel réussisse à en faire baisser les coûts, que l'énergie éolienne s'est
développée. L'énergie éolienne possède plusieurs points forts en termes :
- Environnemental :
- Propre
- Renouvelable
- Pas d'émissions de CO2
- Pas d'impact sur le climat
- Économique :
- Abondante, inépuisable
- Bon marché, compétitive
- Prévisibilité du coût sur le long terme
- Aides financières
- Technologique
- Maturité
- Rapidité d'installation
Elle est également disponible presque partout et contribue à
l'indépendance énergétique.
Complément : Les chiffres clés
- puissance d'une éolienne terrestre : 1 à 3 MW
- puissance d'une éolienne en mer : 3 à 6 MW
- vitesse de vent à partir de laquelle une éolienne peut produire de l'énergie : 15 km/h
- nombre de personnes alimentées en énergie grâce à une éolienne terrestre (2 MW) : 2 000
Un parc éolien de 12 MW, composé de quatre à six éoliennes,
couvre les besoins en consommation d'électricité de près de 12 000 personnes,
chauffage inclus.
La puissance d'une éolienne a été multipliée par 10 en 10
ans. Dans les années 1980, une éolienne permettait d'alimenter environ 10
personnes en électricité. Aujourd'hui, une seule éolienne de 2 MW fournit de
l'électricité pour 2 000 personnes, chauffage compris (source CCI Meuse).
Définition : Phénomène de foisonnement
En disposant d'un grand nombre de parcs éoliens répartis sur
l'ensemble d'un grand territoire, on peut espérer que le vent souffle sur
plusieurs parcs et permette un minimum de production éolienne. Cependant ce
n'est pas toujours le cas et il convient de compléter ces dispositifs par des
moyens de production classiques d'électricité (centrales à gaz).
Remarque : Éolien et CO2
Un parc éolien de 12 MW permet d'éviter l'émission de 8 000
tonnes de CO2. En 2011, le parc éolien français avec 6 800 MW
installés a permis d'éviter l'émission de près de 3,13 millions de tonnes de CO2.
En 2020, un parc de 25 000 MW devrait permettre d'éviter l'émission par le
secteur énergétique de 16 millions de tonnes de CO2 par an
(équivalent des émissions annuelles de CO2 de près de 8 millions de
voitures) (source CCI Meuse).
Émissions de CO2 évitées en France grâce à l'énergie
éolienne pour la période 2000-2020
Sources:
Chambre de Commerce et d'Industrie de la Meuse
"L'énergie éolienne", disponible sur < http://www.lorraine-reel.net/attachments/article/1668/energie-eolienne.pdf >, 2012.
Syndicat des Énergies Renvouvelables
L'importance des politiques publiques
La filière éolienne n'a pu se développer dans le Monde que
grâce à la mise en place de politiques publiques volontaristes. En effet le
prix de l'électricité produite éolienne a été pendant longtemps bien plus
important que celui des autres sources. Afin de compenser cet écart et
permettre l'essor de cette industrie, les gouvernements ont agi selon deux méthodes :
- soutien à l'investissement : utilisé dans les débuts, il est maintenant complètement abandonné ;
- prix de vente garanti et rémunérateur : c'est la formule utilisée, notamment dans les pays européens.
En Allemagne, le gouvernement a obligé les sociétés de
distribution d'électricité à acheter la totalité de la production des centrales
éoliennes au prix de 90 €/MWh. Cela a permis le développement considérable des
installations éoliennes dans ce pays à raison de 30 % par an. Le différentiel
entre le prix d'achat de l'électricité éolienne et le prix d'achat moyens des
autres sources est répercuté sur la facture du consommateur.
En France, l'électricité éolienne bénéficie d'un tarif
incitatif pour l'aider à se développer. Le tarif d'achat de l'électricité
produite par les parcs éoliens terrestres est entré en vigueur avec la
publication de l'arrêté du 8 juin 2001, puis a été revu deux fois, par les
arrêtés du 10 juillet 2006 et du 17 novembre 2008. Ce tarif d'achat diffère
selon la localisation du parc éolien :
En métropole, le contrat d'achat dure 15 ans et définit les
tarifs suivants : 8,2 c€/kWh pendant 10 ans, puis entre 2,8 et 8,2 c€/kWh
pendant 5 ans selon la productivité du site. Dans les départements d'outre-mer,
à Saint-Pierre-et-Miquelon et à Mayotte, un tarif unique à 11c€/kWh a été fixé.
Complément : Le tarif d'achat en France
L'association France Énergie Éolienne, qui rassemble la
majorité des professionnels de la filière, présente un dossier sur le tarif
d'achat, disponible sur ce lien.
Le coût de l'éolien
Combustible gratuit, peu de dépenses d'entretien,
l'essentiel du coût de l'éolien repose sur l'investissement. Le coût du kWh d'origine
éolienne reste cependant encore assez élevé (de l'ordre de 8 c€) (source Energeia
).
La filière doit donc être subventionnée.
Investissement
Il englobe le coût des études, des matériels, du
raccordement, de l'installation, des frais de mise en route et de
démantèlement. La rentabilité d'un investissement dans un projet éolien dépend
des prix de revient et de vente du MWh.
Pour les installations terrestres, le prix de
l'investissement ramené à la puissance unitaire a été divisé par 2 entre 1990
et 2000, et se situait aux alentours de 1 million €/MW.
Le développement industriel de la filière étant acquis et
celle-ci devenant mature, les prix semblaient se stabiliser à ce niveau. Mais
ils ont depuis fortement augmenté pour atteindre 1,5 million €/MW.
Cette augmentation est en partie imputable à l'augmentation généralisée du prix
des matières premières. Elle est aussi liée à un effet de marché suite au
déséquilibre entre l'offre et la demande. Les demandes ont en effet explosé du
fait de l'effet d'aubaine que représente l'éolien pour certains investisseurs,
compte tenu des conditions de rachat de l'électricité. Le coût d'investissement
constaté en 2008 se situait entre 1,3 et 1,6 million €/MW installé. Cependant
le prix de revient devrait baisser dans les années qui viennent (progrès
techniques, diminution régulière du coût du MW installé consécutive aux volumes
installés, effet d'apprentissage, etc...).
Fonctionnement
Le coût du combustible étant nul, le prix de revient du MWh
ne prend en compte que l'investissement, les coûts d'exploitation, d'entretien
et de maintenance (2,5 - 3% de l'investissement total par an pour l'éolien
terrestre soit un coût de ~ 6 à 8 €/MWh).
Tarif de rachat
La France a apporté un soutien économique à l'énergie
éolienne afin de faciliter son essor, par la mise en place depuis 2000 d'un
dispositif incitatif : les distributeurs doivent acheter l'électricité produite
à partir de l'énergie éolienne aux exploitants qui en font la demande, à un
tarif d'achat fixé par arrêté. Ce tarif permet de sécuriser les investissements
et de donner une visibilité à long terme aux acteurs de la filière. Ce soutien
garantit également sur 15 ans, un prix indépendant de toute augmentation du
coût des matières premières.
Complément : Tarif d'achat de électricité éolienne
produite
Dans les conditions de 2006, pour l'éolien terrestre, les
contrats sont souscrits pour 15 ans, le tarif est fixé à 8,2 c€/kWh pendant 10
ans, puis entre 2,8 et 8,2 c€/kWh pendant 5 ans selon les sites.
L'éolien offshore
L'éolien offshore met à profit le formidable potentiel du
vent soufflant sur les mers. En effet celui-ci dissipe à la surface des mers
une énergie estimée à 535 000 TWh par an. En Europe, la ressource potentielle
estimée est de 1 800 TWh par an,
en utilisant les technologies existantes et en tenant compte des autres usages
de la mer.
Les premiers modèles de turbines offshore étaient des
éoliennes terrestres simplement posées en mer. Petit à petit des éoliennes plus
adaptées à l'environnement marin et à ses contraintes ont été développées par
les industriels.
Le diamètre du rotor peut atteindre 150 m, faisant de
l'éolienne offshore un des machines tournantes parmi les plus grandes au monde.
La profondeur d'installation économiquement viable reste aujourd'hui à un maximum
de 40 m.
Les chiffres clés :
- diamètre du rotor : 100 m
- puissance nominale : de 2 à 5 MW
- profondeur d'implantation : 10 à 20 m
- durée de fonctionnement équivalente à pleine puissance : > 3 300 heures/an
- densité de puissance d'une ferme éolienne offshore : 6 MW/km²
- coûts d'investissement : 1 500 à 2 500 €/kW
Parc Offshore à Middelgrunden (Danemark)
Les avantages et les inconvénients de l'éolien offshore
Avantages
- il bénéficie d'une grande partie des avancées technologiques récentes de l'éolien terrestre dont la technologie est d'ores et déjà mature ;
- les vents rencontrent moins d'obstacles sur la mer plate : ils sont plus soutenus, plus réguliers et moins turbulents que sur terre. A puissance égale, une éolienne offshore peut produire jusqu'à 2 fois plus d'électricité qu'une éolienne terrestre ;
- la mer offre de grands espaces libres d'obstacles, où l'implantation des machines est possible, sous réserve de concertation avec les autres usagers de la mer (moins de conflits d'usage).
Inconvénients
- le vent en mer étant plus fort, il faut s'assurer de la résistance du matériel utilisé. Les éoliennes sont soumises mécaniquement aux efforts du vent sur les pales et la structure, aux efforts créés par la masse d'eau alentour (vagues et courants) ;
- problèmes liés à l'environnement marin (corrosion...) ;
- le prix est plus élevé que pour une éolienne terrestre (supérieur de 30 à 50 %) ;
- l'installation et la maintenance (parfois limitées à deux mois dans l'année) est plus complexe que sur terre ; il faut fermement ancrer l'éolienne sur le fond marin ;
- l'accessibilité est dépendante des conditions météorologiques ;
- les machines d'une ferme offshore doivent être espacées entre elles pour limiter les effets du sillage d'un rotor sur les éoliennes situées sous le vent ;
- le raccordement électrique nécessite l'installation de câbles sous-marins jusqu'à la côte.
Parc Offshore de Lillgrund (Suède)
Le précurseur danois
Le Danemark est à la pointe de l'éolien offshore. En effet
depuis 1990 ce pays, qui dispose de plateaux continentaux étendus et peu
profonds propices à l'installation d'éoliennes offshore, a lancé des programmes
de valorisation du vent maritime. En 1991 le premier parc éolien offshore est
installé sur le
site de Vindeby à 2,5 km de la côte en eaux très peu profondes (moins
de 5 m). Les 11 éoliennes installées, d'une puissance unitaire de 450 kW, ne
sont alors que des éoliennes terrestres légèrement modifiées.
En France
Bien que dotée d'un littoral favorable à l'éolien en mer, il
a fallut attendre 2011 pour que la France lance un appel d'offre afin
d'installer près de 600 éoliennes en mer au large des côtes de la Manche et de
l'Atlantique. Ces éoliennes hautes de plus de 200 m et capables de produire
plus de 3 000 MW d'ici à 2015 nécessiteront un investissement de près de 20
milliards d'euros. Cet appel d'offre rentre dans le cadre du Grenelle de
l'Environnement qui a fixé pour l'éolien en mer et autres énergies marines un
objectif de 6000 MW en 2020, soit l'équivalent de la consommation domestique
(chauffage compris) de 8 millions de français.
Carte des cinq zones retenues et objectifs de puissance
installée
Les étapes-clés du développement des parcs éoliens
offshore en France
Pour l'éolien en mer, l'arrêté
du 17 novembre 2008 prévoit un tarif d'achat de 13 c€/kWh pendant 10
ans, puis entre 3 et 13 c€/kWh pendant 10 ans selon la productivité du site.
Pour les parcs implantés dans les zones concernées par l'appel d'offre, le prix
d'achat de l'électricité sera déterminé au sein d'une fourchette de prix, qui
varie entre les cinq zones d'implantation :
- Le Tréport, Fécamp, Courseulles-sur-mer : Pmin 115 > Pmax 175 €/MWh
- Saint-Brieuc et Saint Nazaire : Pmin 140 > Pmax 200 €/MWh
Actuellement le coût de l'éolien offshore est plus élevé que
pour le terrestre. C'est la raison pour laquelle les industriels développent
des machines de plus grande puissance afin d'augmenter la rentabilité des sites
offshore (des projets d'éoliennes de 20 MW sont à l'étude).
Dans le futur les technologies d'éolien far-shore (haute-mer
à plus de 30 km des côtes), ouvrent des perspectives encore plus intéressantes
que l'éolien offshore classique. Le vent du large est plus régulier et plus
soutenu, sans compter que le partage de l'espace maritime y est moins
problématique que près des côtes. Pour des fonds plus importants, des projets
s'orientent vers des mâts flottants lestés (qui s'inclineront légèrement sous
la force du vent) ou des barges pouvant être amarrées par des câbles. Les mâts
quant à eux peuvent atteindre une centaine de mètres au-dessus du niveau de la
mer et chaque pale dépasser 50 m de long. Du fait de la complexité de la
fabrication et de l'installation des éoliennes à base flottante, ces
technologies en sont encore à la phase de recherche préindustrielle.
Représentation d'une éolienne offshore à base flottante
b. L'énergie du vent
Le vent
Définition : Définition du vent
Le mouvement d'une parcelle d'air pendant un intervalle de
temps donné résulte conjointement d'un déplacement en distance par rapport aux
points de la surface de la Terre (mouvement horizontal de la parcelle) et d'un
déplacement ascendant ou descendant en altitude (mouvement vertical).
Le terme de vent peut désigner a priori , soit ce
mouvement de l'air pris dans son ensemble, soit, uniquement, le mouvement
horizontal de l'air. La définition du vent utilisée en météorologie privilégie
cette seconde interprétation.
Le vent (horizontal) est caractérisé par la mesure de deux
grandeurs :
- sa direction, mesurée au sol à l'aide d'une girouette. Elle indique la direction angulaire d'où vient le vent, repérée par rapport aux directions cardinales ;
- sa vitesse, mesurée au sol à l'aide d'un anémomètre (ou être estimée par une manche à air, un drapeau). Elle est souvent évaluée (surtout en mer) à l'intérieur d'intervalles concrets de variation qui en donnent un ordre de grandeur appelé la force du vent.
En un point donné de l'atmosphère , le vent varie sans cesse
en direction comme en vitesse. On peut mesurer ainsi en météorologie plusieurs
sortes de vent :
- le vent instantané , où la direction et la vitesse sont mesurées à des intervalle de temps très brefs (0,5 s) ;
- le vent moyen, où la direction et la vitesse du vent instantané sont moyennées sur une large période, égale à 10 minutes en général ;
- les rafales, dont chacune mesure un pic instantané (hausse brève et soudaine) de vitesse (accompagné ou non d'une variation en direction) et n'est prise en compte que si elle dépasse d'au moins 5 m.s-1 (soit 19 km/h) un vent moyen dont la vitesse est elle-même au moins égale 5 m.s-1 (soit 19 km/h). Chaque rafale possède une certaine amplitude qui fait passer le vent d'un minimum de vitesse instantanée à un maximum de vitesse instantanée appelé la vitesse de pointe de la rafale. Il peut arriver que cette vitesse de pointe soit supérieure de 50 % ou davantage à la vitesse du vent moyen.
Source : www.meteofrance.com
Origine du vent
Le rayonnement solaire chauffe la surface de la terre de
manière inégale. Cela créé des inhomogénéités de température et de pression qui
conduisent à des déplacements d'air qui sont à l'origine du vent. En effet
l'air chauffé sous l'action du rayonnement solaire se dilate, sa densité
diminue et il s'élève dans l'atmosphère. Les masses d'air des régions plus froides
(l'air froid est plus dense) se mettent alors en mouvement pour remplacer cet
air chaud. Ces déplacements s'effectuent à deux échelles :
- à l'échelle planétaire : l'équateur absorbe plus d'énergie que les pôles ; de même les zones éclairées (domaine du jour) reçoivent l'énergie du Soleil contrairement aux zones obscures. Les déplacements d'air s'effectuent des zones de haute pression vers les zones de basse pression.
- à une échelle plus locale : les mers et les continents n'absorbent pas la rayonnement solaire de la même manière et génèrent ainsi des vents. La présence de montagnes ou de déserts influent aussi sur les vents.
Complément : Le phénomène de la brise de mer
Le jour, la terre se réchauffe plus vite que la mer. L'air
chaud qui la surplombe s'élève et laisse place à l'air froid en provenance de
la mer. Le phénomène s'inverse la nuit car la terre se refroidit plus vite
que la mer. Ainsi le vent souffle de la terre vers la mer le matin, car la
surface de cette dernière est plus chaude, puis de la mer vers la terre
l'après-midi, car la surface de la terre devient plus chaude que celle de la
mer ( source Ngo).
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Le phénomène de la brise de mer
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Sources : Christian Ngô, "L'énergie", Éditions Dunod, 3e édition (2008).
Le gisement en vent
Dans le monde
Sur terre, les zones côtières sont celles qui présentes le
gisement le plus intéressant (vitesse > 6m/s). En mer, les vents peuvent
atteindre des vitesses jusqu'à 20m/s.
Gisement en vents sur le globe terrestre
Le gisement en Europe
La carte ci-dessous présente le gisement en vent de l'Europe
occidentale. Les zones roses sont les régions où il vente le plus, alors que
les zones bleues sont celles ayant les vents les plus faibles. La délimitation
des différentes zones n'est pas aussi rigoureuse qu'elle ne le paraît sur la
carte : en réalité, le passage d'une zone à une autre tend à avoir lieu
graduellement. Les couleurs de la carte supposent que le globe terrestre est
rond et totalement dépourvu d'obstacles au vent, d'effets accélérateurs et de
rugosités variantes. Cela signifie que de bons sites éoliens sur des collines
peuvent être situés dans les zones jaunes ou vertes de la carte, tout comme il
existe, dans les zones roses, des endroits qui sont très peu ventés à cause
d'une rugosité élevée.
La carte des vents de l'Europe occidentale
Les régions situées en bordure de la mer du Nord, les côtes
des pays scandinaves et le pourtour méditerannéen français possèdent les
gisements en vent les plus importants.
Le gisement éolien français
La France bénéficie d'un gisement éolien important (le deuxième
en Europe, après le Royaume-Uni). Les zones régulièrement et fortement ventées
sont :
• la façade ouest du pays (de la Vendée au Pas-de-Calais)
• la vallée du Rhône
• la côte languedocienne.
Les régimes des vents sont différents dans ces trois secteurs,
ce qui les rend complémentaires les uns des autres.
Le gisement éolien en France
Puissance moyenne éolienne de sites en France kWh/m²/an
(d'après Ngo)
|
|
Complément : Les vents en temps réel aux États-Unis
Cette animation permet de suivre la direction et la vitesse
des vents parcourant le territoire des États-Unis (lien).
Un peu de physique...
Une éolienne permet de capturer et de convertir une partie
de l'énergie cinétique du vent en énergie mécanique (rotor qui tourne). Pour
pouvoir estimer la puissance électrique produite par une éolienne, il est
nécessaire de connaître quelle est la puissance du vent, et quelle part de
celle-ci sera récupérable par l'éolienne. Supposons une veine de vent passant à
travers une éolienne.
Une veine de vent passant à travers une éolienne
Évolution du rendement aérodynamique instantané en
fonction du rapport entre la vitesse en bout de pale et la vitesse du vent
(tip-speed ratio) : illustration des différentes sources de pertes par rapport
au rendement idéal de Betz.
La théorie montre également que le rendement maximal d'une
hélice d'éolienne augmente avec le nombre de pales.
Complément : Étude théorique de la puissance captée
par une éolienne
Pour avoir plus de détails et des compléments sur les
calculs précédents, consulter les sites suivants :
Caractériser l'énergie du vent
Il est très important pour l'industrie éolienne d'être en
mesure de décrire les variations de la vitesse du vent. Les fabricants
utilisent ces informations pour optimiser la conception des éoliennes dans le
but de minimiser les coûts liés à la production d'électricité. Les
investisseurs, eux, ont besoin de ces informations afin de pouvoir estimer le
revenu lié à la production d'électricité.
Les inhomogénéités de
température et de pression de l'air induisent des instabilités
difficiles à prédire. Dans une région donnée, la vitesse varie au cours du
temps. Seule une observation réalisée sur une longue période (plusieurs
années), permet de connaître, statistiquement les principales caractéristiques
d'un site venté selon les périodes de l'année ( Source Ngo).
La vitesse du vent augmente avec l'altitude. On a tout
intérêt à construire des éoliennes de grande hauteur. En effet, à une hauteur
de 50 m, la vitesse du vent peut être supérieure de 25 à 35 % supérieure à
celle à 10 m. La variation de la vitesse va dépendre de la nature du sol et il
est préférable d'implanter une éolienne sur un terrain peu accidenté afin de
minimiser cette variation le long des pales.
Un vent de qualité doit être régulier. Les variations
rapides de sa vitesse et de sa direction sont défavorables à son exploitation.
Les turbulences sont néfastes pour les éoliennes car elles diminuent le
rendement et fatiguent les pièces mécaniques (Source Ngo).
Comme vu précédemment,
l'énergie éolienne récupérable est fonction du cube de la vitesse du vent. En
première approximation, pour estimer cette énergie, il suffirait de prendre la
vitesse moyenne annuelle du vent soufflant sur un site (moyenne arithmétique
des vitesses mesurées avec un échantillonnage régulier pendant une année).
Cependant la vitesse moyenne n'est pas suffisante pour caractériser un site
éolien. Il convient d'étudier la distribution des vitesses du vent sur le site
observé pendant une année. En effet, la vitesse du vent peut subir des
fluctuations importantes au cours de l'année.
Les fluctuations du vent
Puissance moyenne sur 10 minutes délivrée par une
"ferme" éolienne de 10 MW de puissance nominale (située en
Grande-Bretagne), au cours du mois de janvier 1997
|
Ces fluctuations vont avoir un impact sur la production
d'électricité de l'éolienne, comme le montre la figure ci-dessous.
|
Définition : Vitesse nominale du vent
Vitesse pour laquelle l'éolienne fonctionne dans des
conditions optimales, lui permettant d'atteindre ses performances maximales ( Source Bonal).
Une éolienne peut fonctionner à vitesse nominale entre 1 500 et 2 000 heures
par an, voire 3 500 heurs pour des sites très ventés ( Source Ngo).
Distribution de Weibull
Si on mesure la vitesse du vent durant une année, dans la
plupart des régions du monde, les vents extrêmes sont très rares alors que des
vents frais ou modérés sont assez fréquents. Le vent a donc une nature
stochastique. On ne peut prévoir la vitesse du vent sur une longue période
qu'en termes de probabilités. Pour représenter la distribution des vitesses du
vent et estimer le potentiel éolien d'un site, on utilise une distribution dite
de Weibull. Elle modélise la probabilité qu'un vent souffle à telle vitesse sur
ce site.
Sur la figure suivante est représentée un exemple de
distribution de Weibull : sur le site en question, la vitesse moyenne du
vent est de 7 m/s, et la forme de la courbe est déterminée par ce qu'on appelle
un paramètre de forme égal à 2.
Facteur de forme d'une distribution de Weibull : Souvent noté k, il donne la forme de la distribution et prend une valeur comprise entre 1 et 3. Plus la valeur est faible et plus la vitesse du vent est variable tandis-que qu'une valeur de k élevée indique une vitesse de vent constante.
Facteur de forme d'une distribution de Weibull : Souvent noté k, il donne la forme de la distribution et prend une valeur comprise entre 1 et 3. Plus la valeur est faible et plus la vitesse du vent est variable tandis-que qu'une valeur de k élevée indique une vitesse de vent constante.
La médiane de distribution est égale à 6,6 m/s. Le vent
souffle à moins de 6,6 m/s la moitié du temps, et à plus de 6,6 m/s pendant
l'autre. La distribution statistique des vitesses du vent varie d'un endroit à
l'autre car elle dépend des conditions climatiques locales, du paysage et de sa
surface. La distribution de Weibull tend donc à varier, tant en forme qu'en
valeur moyenne.
Exemple de distribution de Weibull
Selon le facteur de forme, les distributions de Weibull vont
présenter des formes différentes.
Exemples de distributions de Weibull
Distributions de Weibull des vents de plusieurs stations
météorologiques à travers le monde
Les sites éoliens sont sélectionnés à partir d'études
approfondies permettant de déterminer les caractéristiques de la ressource
éolienne disponible, notamment sa puissance potentielle ainsi que son
orientation à différentes périodes de la journée et de l'année. Ceci permet
d'établir des prévisions du rendement exploitable, une information qui pourra
être mise à disposition des gestionnaires du réseau d'électricité.
Les méthodes d'acquisition des données
Il y a deux manières principales d'obtenir les données :
- mesure physique ;
- calcul et modélisation.
La méthode physique
Cette méthode consiste donc à mesurer chaque variable «
mesurable » durant au minimum un cycle d'une année en général. Les données sont
enregistrées, triées, nettoyées de leurs erreurs, concaténées, et enfin
analysées pour en faire ressortir les caractéristiques voulues. Celles-ci sont
ensuite modélisées statistiquement et corrélées avec des sources extérieures en
vue des prévisions à long terme. Enfin, elles sont intégrées en données
d'entrée pour le modèle de terrain du site final.
Pour mesurer l'ensemble des données, il existe plusieurs
types d'outils :
- les mâts de mesure équipés de girouettes, d'anémomètres, de thermomètre et/ou de baromètre et/ou d'hygromètre, etc... ;
- les Sodars (SOnic Detection And Ranging), qui sont des radars à effet Doppler sur les longueurs d'ondes sonores ;
- les Lidars (Light Detection and Ranging), qui sont des radars à effet Doppler sur les longueurs d'ondes de la lumière (laser).
Par exemple, avec un mât de mesure, les données importantes
enregistrées, généralement dans un intervalle de 10 min sont les suivantes :
- la date ;
- l'heure ;
- la vitesse moyenne de chaque anémomètre ;
- l'écart-type de la vitesse de chaque anémomètre ;
- la vitesse maximale rencontrée sur l'intervalle pour chaque anémomètre ;
- la direction moyenne du vent à chaque hauteur ;
- la température moyenne ;
- l'humidité relative ou la pression atmosphérique.
Les Sodars (SOnic Detection And Ranging) mesurent en continu
et de manière plutôt fiable, tout à la fois la vitesse du vent, sa direction,
sa composante verticale, les turbulences, la structure de température et
d'hygrométrie, et ceci sur des hauteurs allant de 15 à 5 000 m. Les Sodars sont
faciles à mettre en œuvre et discrets. Ils demeurent cependant encore un peu
chers par rapport aux mâts de mesure (30 à 40 k€), et ont tendance à avoir un
taux de données invalides plus important par temps pluvieux, neigeux, orageux
et par ambiance acoustique chargée.
Les Lidars sont plus précis et non perturbés par les
ambiances sonores, mais restent sensibles à la pluie, au brouillard... Leur
domaine d'action commence à environ 100 m, et leur prix culmine vers 200 à 300
k€.
Les méthodes de modélisation numérique
A partir des données disponibles de mesures météorologiques,
qui portent sur les vents, les températures, les humidités relatives, en un
point situé à proximité du site d'implantation d'une éolienne, et en tenant
compte de la présence ou non d'effets locaux complexes (bord de mer, etc.), il
est possible de modéliser ce « micro-climat » localement.
Ces deux méthodes sont complémentaires. Avec l'immense
montée en puissance des capacités de calcul informatique, il ne semble pas
impossible qu'un jour on puisse éviter la mesure physique, ou tout au moins réduire le temps nécessaire aux mesures physiques. Le livre de Corinne Dubois ( "Le Guide de l'éolien, techniques et pratiques", Collection "Les guides de l'habitat durable", Éditions Eyrolles (2009)) présente de manière détaillée l'ensemble de ces deux méthodes.
Complément : L'indice Griggs - Putnam
Le meilleur moyen d'estimer la ressource en vent d'un site
est d'utiliser des mesures relevées à partir d'anémomètres, des roses des
vents, des cartes des vents, etc... Une alternative peu coûteuse, mais moins
précise, est d'utiliser une échelle avec des références visuelles. L'indice
de Griggs-Putnam est une méthode semi-empirique, facile et rapide pour
déterminer le type de ressource en vent sur un site donné. Cet indice est
basé sur la déformation des arbres causée par le vent, et il est utilisé pour
estimer la vitesse moyenne du vent.
Des vents forts déformeront des arbres et des arbustes et
indiqueront ainsi un "enregistrement" des vitesses du vent
localement durant leur vie. L'effet est plus marqué sur les conifères parce
que leur apparence au vent reste relativement constante pendant l'année. Des
arbres à feuilles caduques perdent leurs feuilles en hiver et changent ainsi
la zone exposée au vent.
Si la vitesse moyenne du vent est élevée, à partir d'une
certaine valeur critique, les arbres à feuilles caduques ne peuvent pas
survivre et n'indiqueront pas de différences relatives de vitesses de vent
significatives, bien qu'ils montrent des dégâts causés par le vent.
|
 L'indice Griggs - Putnam |
Les roses des vents
En étudiant les modèles dominants de vents pour un
emplacement, les concepteurs peuvent prendre des décisions informées concernant
les stratégies d'implantation d'éoliennes. L'utilisation de roses des vents
permet de déterminer comment placer et orienter les éoliennes.
- la rose des vents annuelle (distribution des vitesses), montre la fréquence et la vitesse du vent soufflant dans chaque direction. En se déplaçant vers l'extérieur sur l'échelle radiale, la fréquence associée au vent provenant de cette direction augmente. Chaque rayon est divisé en couleur selon les intervalles de la vitesse du vent. La longueur radiale de chaque rayon autour du cercle est le pourcentage de temps que le vent souffle dans cette direction. Dans l'exemple ci-dessous (rose des vents annuelle de Boston, Massachusetts), les vents en provenance des directions NO et SSO sont les plus courants (plus de 10 % d'heures annuelles). Pour les vents provenant de la direction SSO, les vitesses de vent se trouvent le plus souvent dans la plage de 6 à 9 et 9 à 11 nœuds (jaune et bleu clair).
- la rose des vents annuelle (distribution des fréquences), affiche les mêmes données que la rose des vents "distribution des vitesses", à l'exception de l'échelle radiale, qui représente maintenant la vitesse du vent au lieu du pourcentage de temps. En outre, les segments de couleur de chaque rayon représentent les heures, et non la vitesse du vent.
- la rose des vents mensuelle, indique la distribution des fréquences pour chaque mois de l'année.
Les roses des vents
Complément : Éditer la rose des vents d'un lieu
Le site windfinder.com
permet d'obtenir les statistiques du vent et climat (dont la rose des vents)
pour un lieu donné. A titre d'exemple, la figure ci-dessous représente la
rose des vents de Perpignan (66).
La rose des vents de Perpignan pour le mois d'août
La puissance d'une éolienne
Pour représenter les performances d'une éolienne, on trace
sa caractéristique ou courbe de puissance P(V), telle que la puissance P aux bornes
de l'éolienne est fonction de la vitesse v du vent ( source Bonal).
Cette courbe est mesurée dans des conditions précisées par une norme
internationale IEC
61400-12, la directive FGW TR2 «Détermination de la courbe de puissance
et des rendements énergétiques normalisés» ainsi que la directive
Measnet «Power Performance».
Pour pallier les variations rapides de la vitesse du vent,
celle-ci ainsi que la puissance sont moyennées sur des périodes de 10 minutes.
Exemple de courbe de production éolienne
La courbe de puissance croit entre 5 et 15 m/s pour
atteindre la puissance nominale de l'éolienne.
La production d'électricité
La production d'électricité par les éoliennes dépend donc de
la force du vent à un instant donné. Elle est par conséquent variable mais pas
imprévisible. Le vent, variable localement, peut être nul, trop faible ou trop
fort et dans ce cas les éoliennes ne peuvent produire de l'électricité. Ainsi
le réseau électrique doit pouvoir accepter ces intermittences de production.
Pour garantir la disponibilité de l'électricité, ce sont aux autres moyens de
production d'ajuster leur puissance pour assurer l'équilibre entre l'offre et
la demande et corriger l'absence de vent ou s'adapter au contraire à son
trop-plein.
Les aérogénérateurs actuels ont un rendement électrique, à
la vitesse nominale, compris entre 30 et 50 % de la limite de Betz. Une
éolienne moderne nécessite un vent d'au moins 5m/s (18 km/h), cependant pour
avoir une puissance produite convenable, il faut avoir un vent à une vitesse
minimale de 11 m/s (40 km/h) ( source Ngo).
A partir de 25 m/s (90 km/h), l'éolienne doit être arrêtée car elle risquerait
d'être endommagée.
Les fermes éoliennes doivent être connectées au réseau de
distribution électrique. En effet, souvent implantées dans des régions ventées
peu peuplées, elles doivent évacuer sur le réseau l'électricité produite, bien
supérieure aux besoins locaux.
c. Technologie des éoliennes
Les éléments constituant une éolienne
Une éolienne est un assemblage de plusieurs sous-systèmes sophistiqués qui fonctionnent ensemble en vue de transformer l'énergie mécanique du vent en énergie électrique. Chaque système est conçu séparément mais une fois assemblé aux autres, il forme un seul élément final destiné à produire de l'électricité (source CCI Meuse).
Les éoliennes sont généralement constituées de quatre
grandes parties.
·
L'hélice ;
·
La nacelle ;
·
L'ensemble générateur ;
·
Le mât.
Schémas d'ensemble d'une éolienne
Coupe d'une nacelle d'éolienne
L'hélice
Son rôle est de transformer une partie de l'énergie
cinétique du vent en couple mécanique. Elle est composée de pales portées par
un moyeu (la plupart des éoliennes industrielles actuelles sont équipées de
trois pales). Les pales (en général trois, parfois deux) des unités les plus
puissantes peuvent atteindre 60 m de long (diamètre 120 m) et peser au total
plus de 1 200 tonnes. Lorsque la vitesse du vent dépasse celle qui correspond à
la puissance nominale, un système de régulation contrôle et dégrade le
rendement de l'hélice de façon que celle-ci ne capture que la puissance
strictement nécessaire ( source Bonal). Les
pales sont fabriquées à partir de matériaux composites et leur profil est
optimisé pour réduire le bruit à leur extrémité.
La nacelle
L'hélice et la nacelle sont reliées par l'intermédiaire du
moyeu. La nacelle est l'habitacle situé au sommet du mât. Elle est orientable
afin que l'angle entre l'axe de l'hélice et la direction du vent soit nul en
moyenne. L'ensemble générateur y est installé. Elle contient toute la
machinerie transformant la rotation lente des pales en électricité. Cette
machinerie permet de superviser l'éolienne : diriger les pales en fonction de
la force du vent, arrêter l'éolienne. Des girouettes sont placées sur le toit
de la nacelle pour mesurer la direction moyenne du vent. Un soin particulier
est maintenant opéré sur le traitement anti-bruit de la nacelle (isolation). La
nacelle est orientable dans l'axe du vent et y est maintenue par une boucle
d'orientation motorisée.
L'ensemble générateur
Intégré dans la nacelle, il assure deux fonctions :
- Transformer
le couple mécanique du moyeu tournant en électricité grâce à un générateur
électromécanique.
- Adapter
le courant électrique fourni par le générateur aux normes du réseau dans
lequel la machine délivre son énergie pour que le couplage
(synchronisation des fréquences de la machine et du réseau) soit possible.
Il faut alors adapter les caractéristiques de la source
d'énergie (vent variable et puissances variables) aux besoins du réseau
électrique (fréquence fixe, amplitude constante de la tension, puissance
demandée variable). Dans ce cadre, il existe deux grandes familles d'éoliennes
:
- Les éoliennes à couplage direct (éoliennes à entraînement multiplié et couplage direct au réseau) : un multiplicateur de vitesse est placé entre l'arbre de l'hélice et celui du générateur électromécanique. Il amène la vitesse de rotation de l'hélice de 50 tr/min à 1 500 tr/min, vitesse de rotation nominale des générateurs asynchrones du meilleur rapport qualité/prix. Cette technologie oblige cependant l'hélice à fonctionner à vitesse de rotation constante (à +/- 2%), ne permettant pas d'utiliser au mieux l'énergie du vent.
- Les
éoliennes à couplage indirect (éoliennes à entraînement direct et
couplage au réseau par convertisseur électronique) : le moyeu de l'hélice
est relié directement au rotor du générateur électromécanique (générateur
synchrone). Comme la vitesse du vent varie, la fréquence de sortie du
courant délivré par l'alternateur varie aussi. Pour assurer le couplage
avec le réseau de distribution électrique (fréquence et amplitude de la
tension fixes), il faut installer un convertisseur redresseur (associé à
un onduleur).
Le mât ou tour
Il porte la nacelle et permet de placer l'axe de l'hélice à
une hauteur supérieure à celle de son rayon. Les mats sont généralement de
construction tubulaire, tronconique. Ils sont réalisés en associant entre eux
des éléments pour boulonnage intérieur de brides. Le diamètre de la base d'une
tour est de 5 m et diminue progressivement pour atteindre environ 3 m au
sommet. Ainsi les tours comportent 3 ou 4 sections. En règle générale, la
hauteur du mat est égale au diamètre de l'hélice. Leur poids peut être important
(115 tonnes pour le mat de 65 m de la machine Vestas 90). Pour
les sites très ventés, on peut construire des mats deux fois plus hauts que le
diamètre de l'hélice afin d'aller chercher des vents plus forts. Certaines
tours peuvent dépasser 100 m. Le mât peut également contenir une partie des
composants électriques et électroniques, en association avec la nacelle.
La tour repose sur des fondations, qui pour des éoliennes
terrestres, consistent en une assise en béton sur laquelle est fixé l'ensemble
de la structure, devant être capable de résister aux tempêtes et aux vents
extrêmes. Il faut près de 500 tonnes (source CCI Meuse)
de béton pour les fondations d'une éolienne de 3 MW.
Au sol, une cabine de dispersion permet l'injection du
courant produit au niveau de la nacelle dans le réseau électrique. Les
éoliennes industrielles actuelles les plus répandues sont les éoliennes
tripales, entraînant une génératrice asynchrone.
Complément : Les matériaux utilisés
Les matériaux utilisés doivent être très résistants car la
vitesse du vent peut varier dans une large gamme. Le tableau ci-dessous
présente les matériaux avec les lesquels sont fabriqués les éléments
constituant une éolienne.
Rendement global d'une éolienne
La loi de Betz limite la puissance récupérable par une
éolienne à environ 59 % de la puissance cinétique du vent. Mais dans le
rendement global, il faut également tenir compte des pertes dues à la machine
elle-même. Chaque élément de transmission ou de transformation est un
sous-ensemble dont le rendement n'est pas de 100 %, et il est intéressant de
noter les ordres de grandeur des rendements de chaque sous-système en matière
d'énergie. Le rendement global (hors limite de Betz) approche les 88 % pour les
meilleures machines disponibles sur le marché. La technologie éolienne étant
d'ores et déjà mature, les rendements ne devraient pas être améliorés
significativement.
Ordres de grandeur des rendements des systèmes internes
de la turbine
d. Exemples de réalisations existantes
Présentation de deux parcs éoliens en France
Une base de données mise à jour
Le site Windpower.com propose
une base de données actualisée concernant les parcs éoliens d'ores et déjà
implantés.
Le syndicat des énergies renouvelables (SER) et France
Energie Éolienne ont édité un rapport sur l'État des
lieux du parc éolien français.
Le parc éolien des Corbières Maritimes
Ce parc est implanté sur la commune de Port-la-Nouvelle (11)
et bénéficie d'un gisement éolien de qualité (vitesse moyenne du vent de 7,7
m/s à 40 m de hauteur).
Le parc éolien des Corbières Maritimes
Les chiffres clés :
·
puissance totale du parc : 8,8 MW
·
nombre de turbines : 15
- 10 éoliennes de 660 kW (
mai 2000)
- 4 éoliennes de 500 kW
(septembre 1993)
- 1 éolienne de 200 kW
(juillet 1991)
·
production annuelle totale : 25 millions de
kWh
·
équivalent de la consommation électrique de près
de 10 000 habitants
·
environ 40 % de la consommation de l'usine des
Ciments Lafarge
·
émission de CO2 évitées : 20 000 t
L'électricité est livrée au réseau d'EDF dans le cadre du
programme " Eole 2005 ".
Le projet :
·
maître d‘ouvrage et exploitant : La
Compagnie du Vent
·
maître d'oeuvre, bureau d'étude et concepteur du
projet : Cabinet GERMA
·
fournisseur des éoliennes : Vestas/Gamessa
Eolica
Financement du projet
Investissement total de 9 000 k€, financé
par :
·
La Compagnie du Vent (1600 k€)
·
Emprunt bancaire (6 000 k€)
·
Subventions (1 400 k€)
Coûts d'investissement :
·
Aérogénérateurs (6 200 k€)
·
Raccordement électrique (760 k€)
·
Génie civil (600 k€)
·
Études et suivi (960 k€)
·
Frais administratifs divers (510 k€)
Coûts annuels d'exploitation du parc (maintenance,
dépannage, assurances, impôts locaux, provisions...) : 260 k€.
Parcs éoliens en Charente
Développé en partenariat avec Valorem, le parc éolien de La
Faye et La Chèvrerie (Charente) est équipé de 6 turbines VESTAS V90 d'une
puissance unitaire de 2 MW. Il produit environ 28,7 millions de kWh/an, soit
l'équivalent de la consommation en électricité (hors chauffage) d'environ 10
000 ménages.
Le futur parc éolien de Sarry (27,5 MW) sera équipé de 11
éoliennes d'une puissance unitaire de 2,5 MW, réparties sur le territoire des
communes de Sarry et de Châtel-Gérard. Il produira annuellement 60,5 millions
de kWh, permettant ainsi d'alimenter plus de 20 000 ménages en électricité
verte (hors chauffage).
Parc
éolien offshore Horns Rev (Danemark)
Horns Rev est un ensemble de parc éoliens extraterritoriaux
situé à 30 km de la côte ouest du Danemark, dans les Blåvandshuk, au large du
port d'Esbjerg.
Parc éolien offshore Horns Rev
Les chiffres clés :
- Horns
Rev 1
Année de
mise en service : 2002
Superficie :
20 km2 (distance entre les turbines 560 m)
Nombre de
turbines : 80
Constructeur
: Vestas
Type:
V80-2.0 MW
Longueur des
pales : 40 m
Puissance
unitaire: 2 MW
Puissance
totale : 160 MW
- Horns
Rev 2
Année de
mise en service : 2009
Superficie :
35 km2
Nombre de
turbines : 91
Constructeur
: Siemens
Type : SWP
2.3-93
Hauteur
d'axe: 68 m
Longueur des
pales : 46,5 m (diamètre 93 m)
Puissance
unitaire : 2,3 MW
Puissance
totale : 209 MW
- Données
générales :
Production électrique prévue : 600 GWh
Émissions de CO2 évitées : 425 000 tonnes/an
Poids des fondations : 180 tonnes
Distance entre chaque fondation : 560 m
Poids d'une tour : 160 tonnes
Profondeur de la mer : 9-17 m
Distance de la côte : 30 km
Surface totale de la ferme : 20 000 m²
Coût total : 448 M€
Le petit éolien : pour les particuliers et en milieu urbain
Le petit éolien, ou éolien domestique, désigne toutes les
éoliennes d'une puissance nominale inférieure ou égale à 30 kW (en Europe) ou
100 kW (aux États-Unis), raccordées au réseau ou bien autonomes en site isolé.
Le petit éolien est utilisé pour produire de l'électricité et alimenter des
appareils électriques de manière durable, principalement en milieu rural. Ces
petites éoliennes sont généralement à axe horizontal et comprennent le plus
souvent deux à trois pales pour développer une puissance électrique de 100 W à
30 kW. Il existe toutefois des éoliennes à axe vertical.
Des éoliennes commencent à être intégrées également en
milieu urbain.
Exemples de petites éoliennes
- Complément : Le guide du petit éolien
L'Ademe et Pôle
énergies 11 ont édité un guide sur le petit éolien.
e. Les systèmes innovants
Les éoliennes multirotors
L'entreprise SELSAM,
a conçu une éolienne comportant 7 rotors de 3 pales, d'un diamètre de 2,1m
fournissant une puissance de 6 kW. L'arbre (la tige sur laquelle sont placés
les rotors) n'est pas parallèle au sol, mais penché, afin d'éviter les
perturbations du flux d'air d'un rotor sur un autre.
Éolienne multirotors
Les éoliennes volantes
Plus on monte en altitude, plus le vent est fort et
constant. Certains ont ainsi imaginé utiliser des éoliennes volantes produisant
de l'énergie directement dans le ciel, qui serait acheminée au sol par un
câble. Un type d'éolienne volante se lancerait dans le ciel comme un
hélicoptère (Skywindpower) ;
un autre comme un ballon sonde rempli d'hélium (Magenn).
Le système Skywindpower
Le système Magenn|
Complément : Un vrai faux système innovant : l'exemple
du système WARP
Ce système innovant prend la forme d'une tour constituée
d'un empilement de modules aérodynamiques (rotors carénés) créant des espaces
semi-toroïdaux dans lesquels s'engouffre le vent avant de faire fonctionner
deux petites éoliennes. D'après les calculs des concepteurs, le système WARP
amplifierait par 1,7 la vitesse du vent à travers ces modules aérodynamiques.
La puissance développée serait multipliée par huit. A hauteur identique, WARP
produirait trois à quatre fois plus d'électricité qu'une éolienne de même
puissance, sachant que les éoliennes conventionnelles exigent un diamètre
important de pales afin d'optimiser la capture énergétique.
Ce système breveté dans les années 1980 a fait l'objet de projets de
développement en Belgique au milieu des années 2000. Il était même
prévu que des cellules photovoltaïques soient intégrées à ce système en tant
que matériau externe. Un exemple de fiche technique de ce type d'éolienne est
présenté sur le
site WincapEnergy.
Galerie de figures : système WARP
Cependant des calculs effectués par des chercheurs du Département
de Mécanique de l'Université de Louvain ont montré que la réalité
est tout autre, et que la performance de la Warp est médiocre. En effet une
erreur de compréhension des lois fondamentales de la physique a abouti à une
surestimation énorme de la puissance développée par ce type d'éolienne. Il y a
eu une erreur dans les documents d'origine qui prétendent multiplier la
puissance par huit plutôt que par deux...
f. Le marché de l'éolien
Monde
La puissance éolienne installée dans le monde a augmenté
annuellement d'environ 30 % depuis 1990. En 2011, elle s'élevait à 238 GW. En
l'espace de 11 ans, elle a été multipliée par 10 ! La Chine, les USA,
l'Allemagne et l'Espagne sont les quatre pays où l'on installe le plus
d'éoliennes dans le monde.
Évolution de la puissance éolienne installée dans le
monde de 1996 à 2011
Les prévisions à l'horizon 2015 donnent une puissance
éolienne installée de 300 000 MW et
une production énergétique de 600 millions de MWh (soit près de 3% de la
production mondiale d'électricité).
L'Asie et l'Europe sont les deux marchés les plus importants
pour l'éolien.
Les grands fabricants d'éoliennes sont basés au Danemark,
Chine, Allemagne, USA, Espagne. Même si historiquement elle avait été un des
pays pionniers dans l'étude la production d'électricité éolienne, la France
n'est pas présente de manière significative sur ce marché.
|
 Les grands fabricants d'éoliennes dans le monde en 2011 |
Union Européenne
Le marché de l'Union européenne oscille entre perte de
vitesse de l'éolien terrestre et préparation logistique, technologique et
industrielle de l'immense marché de l'éolien offshore, très prometteur. La
crise économique et financière a retardé l'octroi de crédits, ce qui a eu pour
conséquence de décaler la mise en service des projets. Le niveau de
développement de la plupart des grands marchés de l'Union européenne est
aujourd'hui beaucoup plus contrôlé. En effet, en ces temps de crise, bon nombre
de gouvernements ont réduit la croissance de leur marché national en
ralentissant les procédures d'autorisation et en appliquant des procédures
administratives plus contraignantes (régime de préallocation en Espagne,
procédure ICPE en France, etc...).
L'Allemagne et l'Espagne sont les pays où l'on installe le
plus d'éoliennes. Cependant si on s'intéresse à la puissance installée pour 1
000 habitants, le Danemark se place en tête grâce à un parc éolien très
développé. Ce pays a depuis longtemps soutenu le développement de la filière
éolienne ; ceci expliquant aussi que les sociétés danoises Vestas et
Siemens Wind Power soient des leaders mondiaux du secteur.
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 Puissance éolienne installée dans l'Union Européenne fin 2011 |
Puissance éolienne pour 1 000 habitants dans l'Union Européenne en 2011
Production d'électricité d'origine éolienne dans l'Union
Européenne en 2010 et 2011
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L'Union Européenne produit près de 172 TWh d'électricité
d'origine éolienne (les 2/3 proviennent de quatre pays : Allemagne,
Espagne, Royaume-Uni, France).
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Puissance éolienne offshore installée dans l'Union
Européenne en 2011
France
Jusqu'à récemment la France n'a pas suivi le développement
de ses voisins européens, mais elle tend à rattraper son retard. En février
2013, la puissance totale installée en service du parc éolien français
s'élevait à 7 354 MW. La région Champagne-Ardenne a le parc installé le plus
important (1 071 MW), suivie par la Picardie (949 MW). La région
Languedoc-Roussillon arrive en 7e position nationale avec 446 MW. Trois régions
: Alsace, Aquitaine et Guyane, ne possèdent aucun parc en 2013. Le site suivi-eolien.com tient
régulièrement à jour ce type de données.
A l'horizon 2020, les prévisions donnent
une puissance éolienne installée de 25 000 MW : 19 000 MW terrestres (soit
8 000 éoliennes) et 6 000 MW maritimes. Le parc éolien français produira alors
55 millions de MWh (soit 10% de la consommation électrique française). Pour
atteindre ces objectifs il faudra installer environ 1 800 MW en moyenne
annuelle alors qu'environ 830 MW ont été installés en 2011. Il faut donc
sensiblement accélérer le rythme des installations.
Le Syndicat des Énergies
Renouvelables et l'association France Énergie
Éolienne éditent un panorama annuel de l'énergie éolienne en
France sous forme de carte.
Complément:L'éolien : source d'emplois et de
richesses
La filière éolienne est créatrice d'emplois, pour la
fabrication et pour l'installation. L''installation et la maintenance des parcs
nécessitent de faire appel à des entreprises locales ; des emplois sont ainsi
créés directement dans les zones où sont implantées les éoliennes. Les perspectives
de création d'emplois dans la filière sont intéressantes.
Conclusion
Utilisée par l'Homme depuis des milliers d'années, l'énergie
éolienne voit son utilisation pour la production d'électricité se développer en
ce début de XXIe sicle. Cependant la majorité des installations éoliennes
actuelles ne fonctionne que grâce aux subventions indirectes que représentent
les obligations de rachat de l'électricité. Pour lever ce blocage de coût, il
faudrait que les prix des combustibles fossiles augmentent fortement, et que
soit instaurée une pénalité financière significative pour les rejets de gaz
carbonique.
Contrairement à d'autres sources d'énergie d'origine
renouvelable, elle ne nécessite pas la création de nouvelles technologies et
s'appuie sur les développements technologiques de ces derniers 30 ans (fibres
de carbone, électronique de puissance, etc..). La taille des machines est en
outre toujours en augmentation. L'électricité d'origine éolienne est peu
polluante (pas d'émission de gaz à effet de serre), et utilise le vent qui a
l'avantage d'être gratuit. Cependant l'instabilité du vent et son intermittence
font que l'éolien ne peut pas être utilisé comme seule source d'énergie. De
même l'incertitude technique de la tenue dans le temps des installations en mer
peut constituer un handicap.
Cette source d'énergie est "non programmable".
Elle ne sera jamais, en l'absence de moyens de stockages novateurs et
performants, une électricité garantie et restera une énergie de complément ou
de substitution. De plus le raccordement au réseau va nécessiter des
infrastructures importantes lorsque la puissance éolienne installée aura
atteint des valeurs significatives.
(Sources UNT UVED)
- Pour en savoir plus : "L'énergie éolienne sur un territoire : méthodologie pour l'installation d'éoliennes".
Fiche "l’éolien" (2015)
Guide de l’étude d’impact sur l’environnement des parcs éoliens (2010)
Les énergies renouvelables : 1- La place des ENR dans la production d'énergie
D'autres articles sur les énergies ICI
