Il y a plus de 5000 ans que l'énergie du vent est utilisée par les hommes (la voile pour la navigation). Les premiers moulins à vent, sont apparus au VIIème siècle après Jésus-Christ en Perse, l'actuel Iran. Ils ont servi de meules à grains et vont évoluer au cours des âges pour devenir les éoliennes. Au moyen âge, le moulin à tour (en toile), le moulin à grain et le moulin pivot sont utilisés.
Figure 2 : Moulin a Tour en toile Figure 3 : Moulin a Tour avec pâles en bois Plus tard les éoliennes dites américaines seront utilisées comme pompe à eau. Des moulins à vent seront aussi utilisés pour les polders néerlandais : Ce sont des terres gagnées sur la mer ou sur des eaux intérieures, endiguées, drainées et mises en valeur. Le drainage s’effectuait alors avec des moulins à vent utilisés comme pompe pour capter l’eau emprisonnée par les digues.
Figure 4 : Eolienne américaine et champ éolien Figure 5 : Moulin sur pivot
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Mais c'est à partir des années 1950 que les éoliennes vont connaître un bond technique, bénéficiant de nombreux progrès technologiques et scientifiques dans de nombreux domaines (aérodynamique, structure, etc.)
Le véritable essor de l’éolien moderne coïncide avec le premier choc pétrolier de 1973, date à laquelle certains pays tels que le Danemark, les Pays-Bas et les États-Unis ont pris conscience de l’utilité de diversifier leurs sources d’approvisionnement électrique. Les turbines éoliennes rapides à ailes aérodynamiques étaient nées.
2. L’énergie renouvelable en France
En France l’énergie nucléaire et des combustibles fossiles pour la production d’électricité est prédominante.
Afin de diversifier le bouquet énergétique il est important d’accroitre l’utilisation des énergies renouvelables.
La première loi Grenelle fixe un objectif de 23 % de notre consommation énergétique finale devant provenir de ressources renouvelables en 2020.
Dans le plan national « Énergies renouvelables », l’éolien contribuera à cet objectif avec 25 000 MW installés en 2020 (19 000 MW terrestres et 6 000 en mer), soit 10 % de la production nationale d’électricité.
Tous les pays signataires du Protocole de Kyoto, dont la France, se doivent de réduire leurs émissions de CO2.
En France la production d’électricité repose en majorité sur la production nucléaire complétée par des centrales hydroélectriques et thermiques à flamme.
Ces dernières émettent du CO2. Leur remplacement par des installations fonctionnant grâce aux énergies renouvelables éviterait le recours aux énergies fossiles.
Aujourd’hui en France, selon RTE (Réseau de transport d’électricité), 100 kW d’éolien permettent de se substituer à 25 kW de production thermique à flamme dans les mêmes conditions de disponibilité et de sécurité.
En Europe, cette filière assure déjà la consommation électrique de 30 millions de foyers (c’est à dire 5,3 % de la demande d’électricité) et permettrait d’éviter la production de 91 millions de tonnes de gaz carbonique par an.
L’énergie éolienne est disponible localement. Son utilisation diminue notre dépendance énergétique. De plus, elle a l’avantage d’assurer la sécurité des approvisionnements en énergie et la stabilité des prix. C’est aujourd’hui la source d’électricité renouvelable la plus proche de la compétitivité économique avec les prix du marché européen de l’électricité. La production éolienne d’électricité au plus près des lieux de consommation, par des unités de production d’une taille adaptée à des consommations locales, pourrait contribuer aussi à limiter les pertes d’énergie lors du transport dans les lignes électriques.
La production électrique éolienne
Les objectifs fixés par l’État au travers de la PPI (Programmation pluriannuelle des investissements) prévoient au moins 25 000 MW installés en 2020. La part de l’éolien dans la production électrique nationale est encore faible (9,6 TWh en 2010, c'est-à-dire 1,9 % de la consommation française) mais sa progression est rapide et importante (+ 40 % entre 2008 et 2009).
Pour l’instant, cette part provient uniquement de l’éolien terrestre (aucun parc éolien en mer n’est encore en service).
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L’éolien, qu’il soit terrestre ou maritime, est considéré en France comme l’énergie renouvelable ayant le meilleur potentiel de développement à court terme. En dehors de l’énergie d’origine hydraulique, il est largement majoritaire pour la production d’électricité d’origine renouvelable.
Il devrait produire presque autant d’électricité que l’hydraulique en 2020.
Evolution de la puissance éolienne en France
3. Les grands vents Français
La France bénéficie d’un gisement éolien important, le deuxième en Europe, après les Îles britanniques.
La France est dotée de nombreux vents régionaux, tel que le Mistral, la Tramontane, le Marin, le vent d’Autan, la Lombarde, le Grec, le Levant, le libeccio et le Sirocco.
Mais trois grands gisements éoliens se distinguent dans le pays. Ces zones terrestre régulièrement et fortement ventées se situent sur la façade ouest du pays, de la Vendée au Pas-de-Calais, en vallée du Rhône et sur la Cote Languedocienne.
Les régimes des vents, différents dans ces trois secteurs, sont complémentaires les uns des autres.
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4. Le vent
Avant de considérer le fonctionnement propre de la machine, il convient de définir la source d’énergie de l’éolien : le vent.
Le vent est une forme d'énergie solaire inépuisable. C'est une énergie renouvelable. Il est créé par un gradient de température (différence de température entre l’équateur et les pôles) qui découle du réchauffement inégal de la terre par le soleil.
Il se forme alors des zones de pressions différentes dans l’atmosphère. On parle alors d’anticyclone (Haute P) et de dépression (Basse P).La compensation de pression est alors assurée par le vent.
Figure 6 : Anticyclones et dépression
De plus l'effet de Coriolis dû à la rotation de la terre crée également des déplacements de masse d'air générant des flux. direction provoquant des turbulences, des effets d'accélération, création de rafales.
Figure 8 : Rugosité du sol
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Pour mesurer la vitesse du vent on utilise plusieurs types d’anémomètres ou des systèmes à ultrasons.
Les anémomètres mesurent la vitesse horizontale du vent. Les anémomètres les plus communs sont ceux à coupelles. Ils sont robustes et résistent aux turbulences et aux perturbations causées par le mât et les traverses.
Figure 9 : Anémomètres Anémomètres à ultrasons :
Les anémomètres à ultrasons mesurent la composante horizontale de la vitesse et la direction, tout comme la température acoustique virtuelle.
Cependant, du fait de leur importante consommation électrique, une connexion au réseau électrique local est nécessaire puisqu'ils ne peuvent être alimentés seulement par un générateur solaire indépendant.
Les anémomètres à ultrasons offrent de bonnes performances sur des stations de mesure bien approvisionnées en énergie.
Anémomètres Propeller :
Les anémomètres Propeller mesurent le flux d'air horizontal et vertical. Ils sont le plus souvent utilisés dans la gestion des parcs éoliens pour prévoir la réaction d'une éolienne au flux d'air.
La rotation d'un anémomètre Propeller produit un courant qui est directement proportionnel à la vitesse du vent.
Les flux de toutes les directions peuvent être mesurés, mais le propeller ne répond qu'à la composante parallèle à son axe de rotation.
De plus, les modèles statistiques sont utilisés avec succès pour la définition de la distribution de la vitesse du vent dans un régime, sur une période de temps donnée (Loi de Weibull, etc.)
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5. Eoliennes à axe vertical/horizontal
Il existe deux types d’éoliennes : les éoliennes à axe vertical et celles à axe horizontal.
Figure 10 : Les différentes éoliennes
Les éoliennes modernes reposent sur le principe de poussée avec des pâles à aérodynamisme optimisé.
Avantages des éoliennes à axe vertical :
• Indépendante du sens du vent
• Générateur + Boite d’équipement au sol (moins cher et plus simple)
• Maintenance au sol
Désavantages des éoliennes à axe vertical :
• Elles ne peuvent pas démarrer seules
• Impossibilité de réguler leur régime par l'ajustement des pâles Avantages des éoliennes à axe horizontal :
• Ajustement des pâles (permet de régler le couple du rotor et donc la puissance fournie)
• Protection contre les vents trop rapides
• La forme des pâles offres les meilleures conditions aérodynamiques possibles, pour un rendement maximum
Désavantages des éoliennes à axe horizontal :
• Retard au déclanchement car elles doivent s’orienter face au vent
• Elles provoquent du bruit
• Elles peuvent causer des dangers pour les oiseaux
La grande majorité des éoliennes de grande puissance sont des éoliennes tri-pâles à axe horizontal.
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6. Fonctionnement d’une éolienne
Une centrale éolienne produit de l'électricité grâce à la force du vent, source d’énergie renouvelable, inépuisable et gratuite.
Il existe deux grands types d'installation : le parc terrestre et le parc offshore.
Figure 11 : Champ éolien et champ éolien off-shore
Figure 12 : Schéma éolienne
En haut du mat de l'éolienne qui peut mesurer jusqu’à 120 m, l'hélice (ou rotor) composée généralement de trois pâles, se met à tourner sous un vent d'au moins 10 km/h.
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La nacelle sur laquelle l'hélice est fixée s'oriente automatiquement pour être toujours face au vent. Les pâles pivotent pour capter un maximum de vent.
Dans la nacelle l'hélice fait tourner un axe. Sa vitesse de rotation n’étant pas suffisante pour générer de l’électricité, un multiplicateur augmente cette vitesse jusqu’à 1500tr/min et la transmet à un second axe qui fait à son tour tourner un alternateur.
Dans l'alternateur, l'interaction entre l’électro-aimant du rotor (la partie mobile) et les bobines de fil de cuivre du stator (la partie fixe) produit un courant électrique.
Un transformateur situé à l’intérieur du mat élève la tension à 20000 V.
L’électricité est ensuite acheminée par un câble sous-terrain ou sous-marin. Elle sera de nouveau élevée à 225 000 V ou 400 000 V par un poste de transformation, pour être transportée plus facilement dans les lignes à haute tension du réseau.
Tous les composants de l’éolienne sont surveillés et contrôlés régulièrement. L’électricité d'origine éolienne n’émet pas de gaz à effet de serre. Compte tenu de l’intermittence de sa production liée à la force du vent, elle est utilisée en complément d’autres sources d’énergies.
La durée de vie d'une éolienne est de 20 à 30 ans. Les éoliennes fonctionnent pour des vitesses de vent comprises entre 14 et 90 km/h. Au-delà, elles s’arrêtent pour des raisons de sécurité. La production électrique varie selon la vitesse du vent. C’est avec des vents de 45 à 90 km/h que l’éolienne produit la puissance maximale.