Éoliennes

Comme la quasi totalité des énergies renouvelables, l’éolien est une forme dérivée de l’énergie solaire. Du fait des nuages, de l’albédo et de la variabilité de son incidence, le soleil chauffe de manière irrégulière la surface de la Terre. Il en résulte des différences de températures ; ces dernières induisent à leur tour le vent.

L’utilisation de la force du vent n’entraîne aucun rejet dans l’atmosphère (pas de CO2, pas de polluants libérés) et ne génère aucun déchet. C’est donc une source d’énergie propre, si l’on exclut la fabrication du matériel, son entretien et son recyclage.

éolienne

Éoliennes: origine du phénomène

Le vent est le moteur d’une éolienne ; mais d’où vient-il exactement ?

Lorsque le rayonnement solaire atteint la surface de la Terre, cette dernière n’est pas éclairée équitablement. Même si cela varie en fonction de la saison, les régions situées à l’équateur reçoivent bien plus d’énergie solaire que celles situées aux pôles.

Dans la zone la plus éclairée énergétiquement (proche de l’équateur, donc), l’air se réchauffe, et va ainsi devenir plus léger. Il en résulte une élévation de la masse d’air, et la formation d’une cellule. Pour remplacer cet air qui s’est élevé, de l’air arrive, depuis une zone plus froide. C’est l’origine des vents horizontaux.

Sur le schéma ci-dessous est illustré le phénomène.

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Répartition et direction des principaux vents à l’échelle planétaire

Nous constatons sur le schéma qu’il existe une distorsion, et que les vents ne suivent pas directement l’axe Nord-Sud. Il s’agit de l’une des conséquences des forces de Coriolis, qui résultent de la rotation de la Terre.

Ce sont ces vents horizontaux que l’on va chercher à exploiter grâce aux éoliennes.

Éléments constitutifs d’une éolienne

Une éolienne est avant tout un assemblage d’éléments :

Le mât : Il permet de surélever l’éolienne, afin de la placer à une altitude où les vents sont plus forts. Il permet également la circulation des câbles électriques, et le passage d’un escalier destiné à l’entretien.

Les pales : Elles sont 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. Elles sont placées sur un moyeu.

La nacelle : Ses dimensions approchent celles d’un container. Elle contient toute la machinerie qui sert d’une part à transformer le mouvement des hélices en électricité, et d’autre part à orienter au mieux l’éolienne.

L’alternateur : L’alternateur est une machine tournante, conçue pour transformer une énergie mécanique 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. Il permet d’injecter une électricité « propre » dans le réseau EDF.

La fondation : Une assise de béton permettant de fixer de façon rigide l’ensemble de la structure de l’éolienne. Pouvant atteindre 400 tonnes, c’est un élément important. Sa forme est ronde ou carrée, mais peut aussi former une étoile pour réduire la quantité de béton nécessaire.

Le système d’orientation : Une couronne dentée permet d’orienter l’éolienne et de la verrouiller dans l’axe du vent.

Les girouettes et anémomètres : Instruments mesurant la direction et la force du vent, qui les communiquent ensuite à l’électronique de commande, qui effectue les réglages de l’éolienne automatiquement.

Le 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 20-30 révolutions par minute, à environ 1500.

Un frein : En cas de vent violent, un frein à disque limite la fréquence de rotation pour ne pas abîmer le générateur. L’énergie mécanique est alors convertie en chaleur par le frein.

éolienne

Éoliennes énergie mise en jeu

Le vent est une immense source d’énergie, qui, si elle était pleinement exploitée couvrirait plusieurs millions de fois les besoins de la planète en électricité. Malheureusement, il est impossible de la récupérer totalement. Ainsi, si une quantité N d’énergie traverse une éolienne, seule une quantité n sera transformée en électricité, avec N très supérieur à n.

Voici comment se détermine la puissance potentielle qui traverse une éolienne. L’énergie que l’on va chercher à récupérer est l’énergie cinétique du vent (liée à la vitesse et à la masse de l’air). Soit une éolienne de rayon r.

La surface qu’elle balaye est de :

S = ? . r²

En une seconde, et pour une vitesse de vent v, un volume q d’air la traverse donc :

q = v . ? . r²

En introduisant la masse volumique de l’air ?air, cela nous donne un débit massique qm :

qm = v . ? . r² . ?air

Pour déterminer la puissance P qui traverse l’éolienne, il faut appliquer le théorème de l’énergie cinétique, qui dit que l’énergie est égale à la moitié du produit de la masse par la vitesse au carré.

P = v . ? . r² . ?air . v²

En réintroduisant la surface S = ? . r², et en fixant la masse volumique de l’air à 1,2 kg.m3, on peut simplifier l’équation :

P = 1,2 . S . v3

La puissance potentielle qui traverse une éolienne est donc proportionnelle au cube de la vitesse du vent et à la surface balayée par l’éolienne (et donc au carré de son rayon).

Mais attention, toute cette énergie n’est malheureusement pas récupérable. explication. Si l’on récupérait toute l’énergie du vent, cela signifierai qu’il ne dispose plus d’énergie cinétique en sortant de l’éolienne ; il serait donc sans vitesse, immobile. Or, cela rendrait impossible la circulation de vent dans l’éolienne.

Il faut donc jongler entre le freinage du vent (pour récupérer son énergie) et circulation d’air dans l’éolienne. Ce phénomène est mis en évidence par la loi de Betz, qui est tracée sur le graphe suivant.

loi de betz éolienne
Tracé de la loi de Betz : évolution du rendement de l’éolienne en fonction du ralentissement de l’air qui la traverse

Nous constatons qu’il existe une valeur de ralentissement optimale (=1/3), pour laquelle le rendement de l’éolienne est maximum. Ce maximum prend une valeur théorique de 16/27 (=0,59). En somme, on dira que pour extraire le plus de puissance possible, on cherchera à ralentir le vent à 1/3 de sa vitesse initiale. On pourra alors extraire jusqu’à 59% de la puissance du vent.

La puissance maximale théoriquement récupérable est donc de :

Pmax = 16/27 . 1,2 . S . v3

Pmax = 0,71 . S . v3

En pratique, seule une partie de cette puissance est récupérée (de l’ordre de 80%), pendant environ 25% du temps (en France, sur les sites ventés).

Éoliennes : inconvénients

Même si les éoliennes semblent de prime abord idéales sur le plan écologique, l’implantation de ces unités de production d’électricité décentralisées  n’est pas neutre sur l’environnement, et entraîne des impacts sur le territoire. La dimension des machines implantées implique en particulier une évolution paysagère, pas systématiquement négative, mais propre à susciter des interrogations et des questionnements bien légitimes.

Les éoliennes ont également souvent la réputation d’être dangereuses pour les oiseaux. Même si elle ne prônent pas le « zéro impact » des éoliennes, de récentes études tendent à minimiser la gène occasionnée à nos chers volatiles.

Autre inconvénient des éoliennes qu’il ne faut pas oublier : le bruit. C’est l’une des critiques les plus fréquemment avancées à l’encontre des éoliennes. Pour s’affranchir du risque d’impact sonore, les sites d’implantation doivent être choisis suffisamment éloignés des habitations riveraines.

On estime que les éoliennes modernes (aux vitesses de rotation de plus en plus lentes) deviennent inaudibles à partir de 200 mètres. Des études d’impact, réalisées par des bureaux d’études acoustiques, sont obligatoires pour les plus gros projets.

Les éoliennes généreraient aussi des interférences électromagnétiques. En effet, la rotation de l’hélice de l’éolienne crée des signaux parasites intermittents, qui interfèrent avec les trajectoires de transmissions des signaux de télévision, de radio ou de toute communication hertzienne.

D’un point de vue énergétique les éoliennes, le bilan n’est pas non plus parfait. Le côté aléatoire du vent rend en effet ce système instable ; par conséquent, lorsque des éoliennes alimentent une population en électricité, il est nécessaire de prévoir une autre source de production, afin d’assurer le relais en cas de période sans vent.

Les centrales nucléaires, trop longues à mettre en marche, sont inadaptées. Restent donc la solution du thermique, dont les nombreux désavantages (coûts, pollution, recours aux énergies fossiles) viennent entacher et considérablement réduire les avantages des éoliennes. Si on suppose qu’on l’exploite à 25 %, l’éolienne produit donc une énergie pendant seulement 2200 heures par an.

Cependant, de plus en plus de réseaux « intelligents » couplent les éoliennes à d’autres énergies renouvelables. Un manque de vent pourra ainsi être compensé par un bon ensoleillement (via des panneaux solaires photovoltaïques), ou par l’énergie des marées.

Il existe aussi l’alternative du stockage, de manière à emmagasiner l’énergie délivrée par l’éolienne lorsque l’on n’en a pas besoin (la nuit par exemple). Malheureusement, l’énergie électrique n’est pas stockable, on doit -par exemple- la transformer en énergie chimique dans des accumulateurs, puis la retransformer  en électricité.

Mais ce genre de stockage est coûteux, induit des pertes et n’est envisageable que pour des puissances faibles. On commence cependant à envisager l’hydrogène comme vecteur de stockage.

Pour aller plus loin lire les articles suivants