« Nous arrivâmes à l’île d’Eolie où habitait Eole, le fils d’Hippotas, cher aux dieux immortels… Pendant tout un mois, Eole me reçut et m’interrogea sur tout : Troie, les navires et le retour des Achéens. Je lui racontai tout comme il faut, et quand je lui demandai de me laisser partir, il prépara mon retour : dans la peau d’un boeuf de neuf ans, il tailla une outre où il enferma pour moi les vents mugissants - le fils de Cronos l’en avait fait maître – puis il fit souffler le seul Zéphyr qui devait nous ramener tous, navires et hommes à Ithaque. » L’Odyssée,Homère
Tout d’abord, il faut savoir que l’énergie éolienne est l’une des plus anciennes énergies du Monde. Depuis l’Antiquité, l’Homme a su imaginer et innover pour concevoir des techniques afin de mieux exploiter le vent. En fait, l’énergie éolienne trouve ses racines chez les Perses dans la région de la Mésopotamie, 200 ans av. J-C.
Néanmoins, les Perses n’utilisait que des éoliennes qui étaient plutôt rudimentaires et très simples, des éoliennes à axe vertical qui servait surtour à l’irrigation des terres cultivées et au meulage du grain.
Il est aussi nécessaire de préciser que celles-ci ne se limitaient pas seulement à des fonctions dites agricoles. Ce type de moulins foisonnera par la suite dans le monde arabe..
2) Le moulin à vent
Les premiers moulins à vents en Europe apparaissent dans le courant du XIIIe siècle avec le retour des Croisés, qui les raméneront de leurs voyages en Orient. Ce n’était que d’étranges machines tournantes qui était utilisées pour remplacer les animaux dans les travaux agricoles et les tâches harassantes. Les moulins à vent convertissaient l’énergie éolienne en énergie mécanique.
En Europe, le moulin à vent fut utlisé en premier pour pomper l’eau. Par la suite, notamment au XVIe siècle, elles servirent, à d’autres fonctions tel que la découpe du bois. Il faudra attendre l’année 1890 pour que le danois Poul La Cour mettent en place la première éolienne industrielle capable de générer de l’énergie électrique.
3) De nos jours
Cependant, avec le temps, l’éolienne était sur le point de devenir une pièce de musée. En effet, les deux chocs pétroliers des années 70 ainsi qu’une inquiétude grandissante quand à notre environnement a fait relancé le marché de l’éolien. Dans les années 90, l’Allemagne devient la première puissance éolienne au monde. Et contribue à relancer un marché qui, depuis lors, a connu un développement spectaculaire et ininterrompu. Le rythme de ce développement n’a cessé de s’accelérer, depassant souvent les prévition optimistes des spécialistes du secteur.
L’Europe connaissent la plus grande part de développement, tandis que les Etats-Unis atteignent le 2 e rang mondial derrière l’Allemagne.
Aujourd’hui, l’Allemagne compte 4444MegaWatts installés, les Etats-Unis 492 et le Danemark 1700. Enfin le Royaume-Uni disposant du potentiel européen le plus important d’Europe, ne compte seulement que 343MW d’énergie éolienne, devant la France (3e potentiel) avec seulement 19MW installés.Ces chiffres correspondent à la mise en place de différents instruments nationaux visant à favoriser la production d’électricité à partir des sources d’énergies renouvelable.
Ainsi l’histoire de l’énergie éolienne a pour une grande partie été influencée par des facteurs extérieurs, tels l’apparition de la machine à vapeur, la distribution généralisé d’électricité ainsi que la crise énergétique de 1973. Enfin plus récemment, les accords de Kyoto devraient être le moteur principal du développement des éoliennes.
a) Dimensions :
Une éolienne est composée d’un mât de 50 à 110 m de hauteur. A son sommet se trouve une nacelle, équipée d’un rotor à axe horizontal, à trois pales mises en rotation par le vent. Elles balaient un diamètre variant de 40 à 120 m.
b) Coûts :
Le coût d’une installation de puissance moyenne est d'environ 30 000 euros. Cependant, le coût de la turbine éolienne ne représente qu’une partie de l’investissement total, car plus le branchement est complexe, plus l’installation coûte cher.
Voici des prix indicatifs pour des installations complètes :
• petite éolienne de 500 W : 800 à 1500 Euros
• petite éolienne de 2 kW : 6000 Euros
• éolienne domestique ou rurale de 10 kW : 24000 Euros
• grande éolienne de 750 kW : 534 000 Euros.
c) Composants: Une éolienne est en général composée de plusisieurs partie distinctes décrites ci-dessous :
Les pales : Réalisées dans un mélange de fibres de verre et de matériaux composites. Leur profil est le fruit d’études aérodynamiques complexes car c’est d’elle que dépend le rendement du rotor.
L'alternateur : L'alternateur est une machine tournante, conçue pour transformer une énergie mécanique (arbre en rotation) en énergie électrique alternative.
Le transformateur :Convertisseur qui permet de modifier les valeurs de la tension et de l'intensité du courant délivrées par une source d'énergie électrique alternative en un système de tension et de courant de valeurs différentes mais de même fréquence et de même forme.
Le paratonnerre : Un dispositif conçu afin d'« écouler à la terre le fluide électrique contenu dans le nuage orageux et ainsi empêcher la foudre de tomber ».
La fondation : Avec
ses 400 tonnes de ciment et de fer d'armature, c'est un élément
important d'une grande éolienne. La forme est ronde ou carrée
mais peut aussi être en étoile pour réduire l'usage
du ciment.
Le système d'orientation : Une couronne dentée, qui permet d’orienter l’éolienne et de la « verrouiller » dans l’axe du vent grâce a un frein.
Le rotor : Un système aérodynamique ou actif permet d’orienter les pales pour moduler la prise au vent. Ainsi malgré les variations de la vitesse du vent, l’éolienne tourne à une vitesse presque constante (entre 19 et 30 révolutions par minute).
Les girrouettes et des anénomètres : Instruments mesurant la direction et la force du vent et qui les communiquent ensuite à l’informatique de commande qui effectue les réglages de l’éolienne automatiquement.
Un multiplicateur de vitesse : La rotation des pales étant trop lente pour entraîner directement le générateur, on utilise un jeu d’engrenages, grâce auquel le multiplicateur de vitesse augmente la fréquence de 19-30 révolutions par minute, à environ 1500 révolutions/min.
Un frein : En cas de vent violent, un frein à disque limite la fréquence de rotation pour ne pas forcer abîmer le générateur.
Un générateur : Partie de l’éolienne qui assure la production d’électricité. Sa puissance peut atteindre 4.5 MW sur les plus grosses éoliennes.
Le mât : Tube creux haut de 40 à 80 m, assurant la liaison au réseau électrique, mais aussi servant à l’entretien de l’éolienne, car il renferme une cage d’escalier permettant de monter là où se trouve les parties nécessaires au fonctionnement de l’éolienne.
Quand le vent se lève, l'automate, grâce à la girouette située à l'arrière de la nacelle, commande aux moteurs d'orientation de placer l'éolienne face au vent. Le vent fait alors tourner les pales de l’éolienne qui entraînent à leur tour un alternateur dans lequel un aimant tourne au milieu d’une grosse bobine de fils électriques. Il met ainsi en mouvement les électrons des fils, ce qui crée un courant. L’électricité produite par l’éolienne est alternative.
La tension obtenue est alors augmentée grâce à un transformateur qui la convertit en une tension égale à celle du transport du réseau sur lequel toute l'électricité produite sera déversée.
Ceci bien entendu ne se passe que quand la vitesse du vent est suffisante (à peu près 15km/h), le rotor tourne alors à sa vitesse nominale (environ 30 tours par minute), et la génératrice à 1500 tours par minute. Des vitesses qui resteront constantes tout au long de la période de production d’énergie.
On obtient alors un courant dont la tension est constante, mais dont l’intensité varie en fonction de la vitesse du vent. C’est ainsi que lorsque la vitesse du vent croît, celui-ci exerce une portance supérieure sur le rotor, ce qui nous amène à l’accroissement de la puissance délivrée par la génératrice.
Quand le vent atteint une vitesse de 15m/s, l’éolienne fournit sa puissance nominale. Une puissance qui doit être maintenue constante, par une réduction de la portance des pâles si la vitesse continue à augmenter. Ainsi, si le vent soufflait un peu plus qu’il n’en faille, les pâles de l’éolienne ne seraient plus placées directement face au vent. L’angle serait légèrement incliné les faisant profiter moins bien du vent, mais tourner à leur vitesse de croisière quand même. En effet, un appareil appelé unité hydraulique régule la portance en modifiant l'angle de calage des ces pales.
Dans le cas où la vitesse dépasserait 90km/h, les pâles sont placées en parallèle avec la direction du vent (on dit qu’elles sont mises en drapeau), leur portance devient ainsi quasiment nulle, et l’éolienne ne produit plus d’électricité. Le rotor tourne à quelques tours pas minute, et la génératrice elle, est déconnectée du réseau. Dès que le vent redescend en dessous de 90km/h, la production d’électricité reprend, avec toutes ses étapes. Tout ceci, est bien sûr informatisé. En effet, toutes les opérations sont gérées par un ordinateur qui commande toute partie de l’éolienne. Cependant, il existe un frein à disque, placé sur l’axe rapide, permettant de l’arrêter et la mettre en sécurité évitant ainsi tout accident.
2) Action du vent sur les pales
Ce qui est dit sur l’action du vent est vrai quelque soit le nombre de pales de l’éolienne à axe horizontal.
La résultante des actions du vent sur les pales d’une éolienne à axe horizontal peut être décomposée en 2 forces :
P : perpendiculaire à la direction du vent
T : appelée traînée, qui a la même direction que le vent
Dans le cas présent, on obtient :
2 forces T1 et T2 parallèles et de même sens, qui déplacent le rotor par un mouvement de translation dans le sens du vent
2 forces P1 et P2 parallèles et de sens opposé, elles sont toutes deux perpendiculaire à la direction du vent
Les résultantes des forces qui s’exercent sur chacune de ces pales, notées R1 et R2, appliquent une force qui permet de faire tourner le rotor. Il faut donc que les pales puissent s’incliner et soient torsadées afin de capter un maximum de vent.
3) Energie cinétique et puissance théorique
A l’origine, il faut savoir que l’énergie eolienne provient du soleil. Le flux de rayonnement solaire échauffe inégalement les masses d’air de l’atmosphère, provoquant ainsi des mouvements de masse d’air entre les zones de températures (donc de pression) différentes.
Environ 2% de l’énergie solaire (3,2 x 1024 Joules.an-1) est transformé en énergie cinétique des vents. De cette énergie, 35% est dissipée dans une couche de 1km au-dessus du sol.
Si on utilisait seulement 10% de cette energie éolienne par an, cela corresponderait à :
Application Numérique :
3,2 x 1024 x 0,02 x 0,35 x 0,1
= 2,24 x 1021 Joules.an-1
Soit 7 fois la consommation mondiale d’électricité ! ! !
Les éoliennes tournent grâce à la masse d’air qui les traversent et un m3 d’air pèse 1,225kg. Pour une surface de 1m2 et d’un vent d’1m.s-1, le débit est de 1m3.s-1, soit 1,225kg par seconde.
Remarque :
Les masses en mouvements possèdent une énergie cinétique : Ec = ½ mV2. Ainsi, une masse de 1kg lancée à 1m.s-1 possède une énergie cinétique de :
Application Numérique
Ec = ½ mV2
= 0,5J
On sait qu’il faut 4186 J pour augmenter de 1°C un kilogramme d’eau. La puissance qui s’exprime en Watt est alors : 1 J.s-1 = 1W.
Une surface de 1m2 traversée par un vent de 10m.s-1, est traversée par 10m3 soit 12,25kg.
Son énergie cinétique est :
Application Numérique
½mV2
= ½.12,25.100
= 0,6125V3
= 612,5 J.s-1
Soit 612,5 W.
La puissance est donc proportionnelle au cube de la vitesse (et directement proportionnelle à la surface), d’où :
P = 0,6125V3 = ½.(πr2).V3
Toutefois toute l’énergie ne peut être captée. La vitesse du vent n’est pas nulle après son passage dans l’éolienne ! La loi de Bertz défini le maximum capable, soit :
Pmax = 16/27 Peffectif (d’après la loi de Bertz)
Application Numérique
Pmax = 0,363 V3
La puissance pratique d’une éolienne est inférieure à sa puissance maximale. Ceci est dû au rendement propre de chaque étape de conversion d’énergie : Hélice (85%), multiplicateur (95%), générateur (98%), redresseur, stockage, distribution ...
Par conséquent, on considère le rendement entre 50 - 55% (0,25V3) pour une éolienne industrielle et 40 – 25% (0,15V3) pour une éolienne artisanale.
Le premier avantage de l’éolienne est qu’elle ne nécessite pas de carburants, et ne crée pas de gaz à effet de serre. De plus, cette forme de production d’énergie ne produit pas de déchets toxiques ou radioactifs. Elle constitue donc une énergie indéfiniment durable et propre.
Un autre avantage de cette énergie est que seulement 2% du sol est requis pour les éoliennes lors de l’installation de grands parcs d’éoliennes sur des terres agricoles, ainsi, toute la surface restante est disponible pour toute autre forme d’utilisation (exploitation agricole, élevage,...).
Beaucoup de gens s’imagine que l’éolienne apporte beaucoup de nuisances sonore. Or ceci n’est pas vrai, en effet les propriétés du son le prouvent. Le bruit se mesure grâce à la pression sonore acoustique exprimée en Pascal ( Pa ).
b) Inconvénients
Premièrement, il faut admettre qu’il est difficile de rater une éolienne dans le paysage, d’autant plus que les sites les mieux ventés sont également ceux où les éoliennes sont les plus visibles.
Autre inconvénient qu’il ne faut pas oublier : le bruit. Le bruit des éoliennes peut être classé en deux catégories. Il y a soit le bruit produit par le passage de l’air dans l’hélice, soit le bruit produit par la rotation des éléments mécaniques.
De plus, il se trouve que l’éolien a deux conséquences sur les oiseaux : la collision directe notamment la nuit et la réduction sensible de leur habitat. Toutefois, il n’y a pas encore d’études disponibles sur l’impact de ces parcs éoliennes sur la faune et la flore d’une manière générale.
Enfin, les éoliennes génèrent aussi des interférences électromagnétiques. La rotation de l’hélice de l’éolienne crée des signaux parasites intermittents qui interfèrent avec les trajectoires originales de transmissions des signaux de télévision, de radio ou de toute communication hertzienne.
2) Le point de vue économique
a) Avantages
Une centrale éolienne coûte environ 1 à 1.2 million d’euros par mégawatt de puissance installée. La fourchette des prix du kWh, suivant la ressource éolienne des sites, varie entre 6 et 7 centimes. L’avantage réside dans le fait que le kWh éolien est indépendant du coût du «carburant», le vent, qui est gratuit; contrairement aux autres kWh. Ainsi, les coûts de production des kWh thermiques flambent avec les prix du pétrole, et ceux du kWh nucléaire sont sujets à polémique, selon qu’on y inclut ou pas le coût pharaonique de la construction et du démantèlement des centrales nucléaires.
De plus, le coût du kWh éolien est appelé à diminuer dans les années à venir, grâce à des progrès techniques, et à des progrès concernant l’échelle de fabrication.
Notons aussi que cette nouvelle forme d’énergie est créatrice d’emplois, qu’ils soient directs ou indirects, notamment dans la fabrication et l’installation des éoliennes. Ainsi, 45,000 emplois ont été créés en Allemagne, où 16,5GW de puissance ont été installés.
b) Inconvénients
Dans un parc éolien, la production moyenne d’une éolienne n’est que de 30 % de la puissance installée. C’est-à-dire que pour 10 MW, la production moyenne est de 3 MWh par heure sur l’année. Ceci représente donc une perte d’argent notable, vu que le développement de l’énergie éolienne n’est pas aussi productif (en terme d’électricité) que celui du nucléaire par exemple. Restons dans la gamme des énergies renouvelables, il faut dire que l’hydraulique a un rendement beaucoup plus important que celui de l’éolien, qui est d’environ 60%.
Par ailleurs, les éoliennes engendrent des coûts d’entretien importants. En effet, il faut graisser les roulements et les coussinets une à deux fois par an, et nettoyer les pâles régulièrement. Ceci constitue d’autant plus un problème que les éoliennes doivent être toutes arrêtées pendant l’opération d’entretien, qui va finalement se révéler assez coûteuse.
On peut améliorer l’efficacité énergétique d’une centrale thermique, à gaz par exemple, en faisant de la cogénération, qui récupère une partie de la chaleur perdue dans la vapeur. C’est le cas de la centrale de Tahadart au Maroc, qui va être étendue et comptera un parc éolien d’ici 2011.
3) Le point de vue technique
a) Avantages :
Tout d’abord, il faut dire que les principes techniques de l’éolienne sont assez simples, même si l’on doit admettre que leur mise en application technologique est relativement complexe et perfectionnée. Ainsi, quand les schémas de base sont déjà prêts, on n’aura pas besoin d’ingénieurs ou de techniciens de haut niveau pour mettre en place le tout. Il reste clair que nous aurons toujours besoin de relier les éoliennes au réseau électrique, dans le cas d’éoliennes dîtes industrielles, mais la difficulté est beaucoup plus faible que par exemple pour un réacteur d’une centrale nucléaire. En fait, les progrès accomplis dans les domaines de l’aéronautique, des matériaux et des technologies électriques ont permis aux éoliennes de professer de façon décisive.
Par ailleurs, les problèmes de fabrication particuliers posés par les pâles de plus en plus grandes par exemple, sont des défis techniques qui devraient être résolus rapidement. L’apport de l’électricité éolienne dans le réseau électrique permet d’économiser du carburant dans les centrales thermiques ou nucléaires. Et les éoliennes sont bien adaptées aux zones isolées du réseau général, comme les îles, ou les DOM-TOM par exemple pour la France.
b) Inconvénients :
Certes, la construction et le type de matériaux utilisés pour fabriquer une éolienne font d’elle une machine très sure mais qui n’est sûrement pas infaillible. Nous citerons à cet effet deux exemples qui nous permettrons d’étayer cet argument. En effet, il faut savoir qu’un vent trop fort est capable d’engendrer la rupture du système d’hélices, comme ce fut le cas au parc éolien de Burfos (France) le neuf décembre 2000. Les trois pâles se sont littéralement brisées et ont atterri à près d’un kilomètre après avoir traversé une route.
De plus, à Bouin, toujours en France, où sont installés plusieurs parcs éoliens industriels, des fissures sont apparues dans le socle, à tel point qu’il y a eu nécessité de souder des équerres à la base des mâts pour empêcher la chute des machines.
En outre, même si du point de vue technique il n’y a rien à réinventer pour mettre en place des éoliennes sur un parc, la spécificité du terrain requiert toujours certains éléments primordiaux. Ainsi, la production d’énergie électrique à l’aide d’éoliennes fait appel à des domaines multiples et variés : aérodynamique, mécanique, résistance des matériaux, génie électrique et électronique, BTP, réglementation, auxquels s’ajoutent bien évidemment les aspects environnementaux.
a) Dimensions :
profil est le fruit d’études aérodynamiques complexes car c’est d’elle que dépend le rendement du rotor.