Travaux Personnels Encadrés
Les éoliennes sont-elles une source d’énergie sûre ?
Léna Decourt Côme Tardivel
1S2
Sommaire :
INTRODUCTION
PARTIE 1 : Peut-on alimenter un foyer avec sa propre éolienne ? 1- Présentation de notre éolienne
2- Principe de fonctionnement
- Origine du vent (théorie + expérience) - Fonctionnement de base d’une éolienne - Composition et résistance des matériaux 3- Energie
-Production et transport de l’éléctricité -Conversions d’énergie dans une éolienne -Stockage de l’électricité
PARTIE 2 : Impacts et comparaisons :
1- Impacts environnementaux
2- Comparaisons entre nôtre maquette et une véritable éolienne -Mesures de tensions
-Différences et similitudes
INTRODUCTION :
En France , en 2017 l’énergie éolien constitue une infime partie de la production d’énergie. Nous nous sommes posé la question suivante : En quoi les éoliennes sont-elles une source d’énergie sûre ? . Dans un premier temps, nous verrons comment alimenter un foyer avec sa propre éoliennes en mettant en évidence notre éolienne miniature et le fonctionnement du éolienne à taille réelle. Dans un second temps, nous analyserons des mesures pour permettre une comparaison entre notre maquette et une éolienne réelle ainsi que les impacts d’une éolienne à taille réelle.
I- Peut-on alimenter un foyer avec sa propre éolienne ?
2) Principe de fonctionnement : A. D’où vient le vent ?
Pour expliquer le fonctionnement de notre éolienne, il faut dans un premier temps comprendre “d’où vient le vent “.
En effet, Notre éolienne ne tourne pas toute seule ! Ses pales sont mues par une masse d’air qui en actionnant l’alternateur produit de l’électricité.
Premièrement, le vent est une “circulation d’air dans l’atmosphère”. Il est produit par un équilibrage de pressions atmosphériques* entre deux régions du Globe.
La principale raison des différences de pression est la température. Le soleil chauffe l’air de manière hétérogène. En effet, selon le relief, la météo, la végétation ou la latitude, la température varie. C’est ainsi que certaines régions de l’atmosphère sont davantage chauffées que d’autres. Par ailleurs, quand l’air chauffe, il se dilate et occupe un plus grand volume et commence son ascension. Le vide laissé par cette masse d’air chaud est comblé par de l’air froid.
En conclusion, ce flux d’air est une source à l’origine de la constitution du vent.
Ces différences de températures sont à l’origine d’une réorganisation verticale des couches de l’atmosphère.
Afin de modéliser cette situation, on réalise une première expérience avec des masses d’eau de températures différentes qui réagissent de manières similaires à des masses d’air.
*La pression Atmosphérique : C’est le poids que l’air exerce à la surface de Terre, et donc considère celle-ci comme une force
Expérience 1 : D’où vient le vent ?
Pour expliquer et démontrer ces flux d’air, on mélange simultanément de l’eau de différentes températures (De l’eau très froide en bleu et de l’eau bouillante en rouge)
Cette expérience permet de visualiser des mouvements de masses de fluides (similaires au flux d’air) donc l’origine du vent.
Lien de la vidéo : https://youtu.be/qOGNtMHE_FQ
Le résultat :
On constate donc :
-Que le liquide chaud se place au-dessus du liquide froid
-Ce flux liquide (similaire à un flux d’air) créer donc une différence de pression.
-Cette différence de pression est donc une des origines du vent dans l’atmosphère terrestre.
On répète la même expérience d’une manière différente : Lien de la vidéo : https://youtu.be/UiEQM63Z1bs
Le résultat :
Nous répétons donc la même expérience avec du matériel différent et le résultat est le même, c’est-à-dire que le liquide chaud (en rouge) se retrouve au dessus du liquide froid (en bleu).
B. Fonctionnement de base d’une éolienne
Le fonctionnement d’une éolienne est relativement simple :
Le vent fait tourner des pales positionnées sur un rotor qui fait lui-même tourner le générateur de l’éolienne. Ensuite, le générateur transforme l’énergie mécanique du vent en énergie électrique. Cette électricité est dirigée vers le réseau électrique ou vers des batteries de stockage.
Caractéristiques d’une éolienne :
Premièrement une éolienne est située sur un mât de de 50m à 100m de haut. Ce mât est composé d’un assemblage de croisillons métalliques, de béton ou de métal car il doit être très résistant.
Les éoliennes modernes sont composées de 2 à 3 ailes, tournant autour d’un rotor à axe horizontal. Les pales de l’hélice d’une éolienne peuvent être en bois lamellé- collé, en plastique renforcé de fibre de verre, ou en métal…( recherche de résistance et de légèreté)
On note également que le diamètre des pâles d’une éolienne varie de 40 m à 120 m.
Comment transforme-t-on le vent en électricité ?
En effet, pour produire de l’électricité avec une éolienne, il faut transformer un mouvement mécanique, ici les pales qui font tourner le rotor grâce à la force du vent, en courant électrique. Pour cela les éoliennes sont équipées de plusieurs choses : Le vent actionne les pâles, qui font tourner l’axe du rotor. Cet axe entraine un générateur en passant par un multiplicateur qui permet de multiplier le nombre de tours par minute permettant une plus grande production d’énergie. (En effet l’hélice de l’éolienne tourne à des vitesses d’environ 100 à 650 tours min alors qu’un générateur électrique doit être entraîné à environ 1500 à 3000 tours min.)
(Schéma simplifié d’une éolienne)
Comment est distribuée et stockée l’électricité ?
En effet, il ne suffit pas simplement de raccorder une éolienne avec une maison, l’électricité d’une éolienne (660v en tension de sortie) doit être d’abord convertie en une tension de 20 000 volts par un transformateur élévateur situé au pied de l’éolienne pour être par la suite acheminée vers un poste de livraison lui-même raccordé au réseau électrique public. Et, c’est par le réseau public que nos maisons sont alimentées en électricité.
L’électricité produite peut également être stockée à plus ou moins grande échelle par un système de batteries pour une petite éolienne personnelle ou par des infrastructures de stockage d’électricité à grande échelle pour les parcs éolien. Mais cette solution est très peu utilisée, en générale l’électricité est stocké de manière temporaire, par exemple quand il n’y a plus de vent.
Document complémentaire :
Source d’énergie gratuite, renouvelable mais inconstante Impacts environnementaux néfastes ? ( sur Terre, sur mer offshore)
Résistances des matériaux ?
Notion de rendement d’une éolienne ? ( énergie utile/énergie nécessaire pour le fonctionnement)
Résistance des matériaux :
En effet, les éoliennes sont exposées aux aléas du climat et doivent donc être résistantes à l’usure (environ 20ans) et aux intempéries. Pour cela, des matériaux spécifiques rentrent en action tel que des matériaux composites, céramiques, polymères ou métalliques.
☞ voir tableau atouts des matériaux
Par ailleurs les éoliennes sont conçues pour résister aux vents forts et de réguler sont fonctionnement. En effet, Certaines éoliennes sont capables d’encaisser des vents de près de 200 km/h. La majorité cependant n’atteint pas des vitesses dites « de survie » aussi élevées. Elles sont donc équipées de systèmes permettant de soustraire le rotor à la force du vent. Les éoliennes disposant d’une orientation motorisée placent le rotor parallèlement au vent pour le protéger ou utilisent un frein.
Les éoliennes à axe vertical bénéficient par construction du « décrochage dynamique » des pales, elles ne nécessitent aucun système d’évitement des vents forts.
Matériaux Métalliques Céramiques Polymères Composites
Propriétées Conducteurs électriques et thermiques, dureté et rigidité
élevées, déformation
plastique importante
durs et fragiles, résistances mécaniques et thermiques élevées, isolants thermiques et
électriques
isolants thermiques et électriques, légers
et faciles à mettre en œuvre, peu rigides, utilisation à
des températures inférieures à 200
°C
combinaison de matériaux de familles différentes,
propriétés améliorées par
rapport aux propriétés de chaque matériau
MÂT La nacelle Les pales
Treillis profilés en acier soudés
tubulaires et coniques petites sections coniques coupées
et laminées
structure métallique soudée en acier, recouvert d’époxy
Alliage d’aluminium : matériau léger, résistant
à la fatigue et à la corrosion, réalisation de pâles jusqu'à 20 mètres.
Le procédé utilisé est le moulage.
Matériau composite : permet la réalisation de toutes formes et dimensions(jusqu'à 30 m), faible
masse, résistance à la fatigue et à la corrosion. Le procédé utilisé
est le moulage et le collage.
Partie énergie :
FONCTIONNEMENT D’UNE BATTERIE :
☞ Voir vidéo composition d’une batterie : https://youtu.be/8HDlMpfyBoM
Pratiquement indispensables pour les sites isolés, les batteries compliquent sérieusement la rentabilité de l’installation.
Le critère du choix tient dans la capacité de stockage d’énergie de la batterie. Cette
capacité se mesure en ampères-heure, cependant il est plus facile de l’exprimer sous forme de puissance produite en une heure par son éolienne, donc en kWh.
Une batterie capable de stocker 1000 Wh (soit 1 kWh) pourra ainsi conserver l’équivalent d’une heure de vent à vitesse nominale pour une éolienne d’un kW.
Compter 150 € HT par kWh pour des batteries au plomb, le double pour des NiCad. Leur durée de vie oscille entre 10 et 15 ans pour les modèles au plomb et 20 à 25 ans pour les plus modernes.
http://tpenano2013.e-monsite.com/pages/seconde-etude-de-cas-la-nanobatterie/le-fonctionnement-d-une-batterie.html
P=UI ! Pour déterminer la possibilité de stockage d’une batterie en kWh, on multiplie sa tension (12v-24v….) par sa capacité en ampères-heure (100 ah par exemple).
Ainsi, une batterie de 24 V dont la capacité nominale est de 150 ah permet de
stocker 150 x 24 = 3600 Wh = 3,6 kWh = 3h36’ de production d’une éolienne d’un
kW.
Mégawatt et mégawattheure sont des termes couramment utilisés dans le cadre de la production d’énergie. Très proches, ces deux mots désignent pourtant des réalités très différentes.
Le mégawatt (MW) est une unité de puissance qui désigne la capacité de production d’une installation électrique (ferme éolienne, panneau solaire, centrale nucléaire, …)
Le mégawattheure (MWh) correspond à la quantité d’énergie produite en une heure par un mégawatt.
Pour rappel, un térawatt (TW) correspond à 1.000 gigawatts (GW) et à 1.000.000 de mégawatts.
Si une installation électrique d’une puissance d’1 MW fonctionnait de façon permanente à pleine puissance, sa production serait de 8.760 MWh par an (24 heures pendant 365 jours).
Mais les installations ne produisent pas toutes de l’énergie en permanence. En effet, le solaire et l’éolien sont des énergies qualifiées d’intermittentes puisqu’elles dépendent respectivement du niveau
d’ensoleillement et de celui du vent.
https://lenergeek.com/2013/04/10/quelle-est-la-difference-entre-un-megawatt-et-un-megawatheure/
Chiffres clés :
Chiffres Energétiques :
EN France
En France, la puissance éolienne totale raccordée était de 14 275 MW au 30 Septembre 2018.
Toute cette capacité éolienne est terrestre.
803 MW ont été raccordés depuis le début de l’année 2018.
En 2017, la production éolienne a été de 24 TWh soit 5,0% de la consommation électrique nationale.
La France ne compte actuellement aucun site éolien en mer en activité. Cependant, 3 896 MW d’éolien posé en mer sont actuellement en cours de développement au large des côtes françaises.
EN EUROPE
Chiffres clés en 2017
dans la production d’énergie éolienne, la France est le 3ème producteur derrière le royaume-unis (2ème place) et l’Allemagne (à la 1ère place).
Production d’énergie éolienne en Europe en 2017
Chiffres économiques :
L’emploi dans l’éolien :
AUTRES DONNES :
EXEMPLE : BRETAGNE Données énergétiques :
• Puissance éolienne installée fin 2018 (en MW) : 1 014
• Puissance supplémentaire raccordée en 2018 (en MW) : 46
• Production électrique éolienne 2017 (en GWh) : 1 544
• Production électrique toutes filières EnR 2017 (en GWh) : 2 562
• Taux de couverture de la consommation régionale à partir d'éolien en 2017 (en %) : 6,90
• Objectif régional éolien inscrit dans le SRCAE à fin 2020 (en MW) : 1 800
•
Données économiques :
• Nombre de parcs éoliens raccordés fin 2018 (en unités) : 167
• Puissance installée fin 2018 (en MW) : 1 014
• Production électrique régionale en 2017 (en GWh) : 1 544
• Emplois éoliens dans la région en 2017 : 771
• Répartition des emplois régionaux sur la chaîne de valeur :
