Éolienne - Définition

Poids économique des acteurs de l'industrie éolienne

Une éolienne utilisée pour fournir de l'électricité aux réseaux délivre des puissances importantes, de l'ordre de 2 MW à l'intérieur des terres et de 5 MW en mer. Cependant, des modèles plus petits sont également disponibles.

C'est ainsi que certains navires sont maintenant équipés d'éoliennes pour faire fonctionner des équipements tels que le conditionnement d'air. Typiquement, il s'agit alors de modèles à axe vertical prévus pour fournir de l'énergie quelle que soit la direction du vent. Une éolienne de ce type délivrant 3 kW tient dans un cube de 2,5 m de côté.

Certaines éoliennes produisent directement de l'énergie mécanique sans passer par la production d'électricité, notamment pour le pompage de l'eau dans des lieux isolés. Ce mode de fonctionnement correspond à celui des moulins à vent d'autrefois, qui entraînaient le plus souvent des meules de pierre ; en effet, la plupart des 20 000 moulins à vent à la fin du XVIII^e siècle en France servaient à la minoterie.

Fabricants d'éoliennes

En 2008, les parts de marché mondiales des principaux fabricants d'éoliennes selon Emerging Energy Research étaient les suivantes :

1. le Danois Vestas avec 19 % ;
2. l'Américain GE Wind avec 18 %.
3. l'Espagnol Gamesa avec 11 % ;
4. l'Allemand Enercon avec 9 % ;
5. l'Indien Suzlon avec 7 % ;
6. l'Allemand Siemens avec 7 %.

Les principaux fabricants d'éoliennes construisent des machines d'une puissance d'environ 1 MW à 6 MW. Il existe de très nombreux autres fabricants d'éoliennes, parfois de très petite dimension pour des applications individuelles ou de niche. Les principaux fabricants d'éoliennes étaient d'abord surtout originaires du Danemark et d'Allemagne, pays qui ont investi très tôt dans ce secteur. Certains pays doivent redoubler leurs investissements aujourd'hui pour combler leur retard, comme les États-Unis avec GE Wind qui a presque doublé ses parts de marché en 5 ans, ou la France avec Areva, qui détenait jusqu'en 2007, 70 % du capital de REPower. Le marché est marqué actuellement par l'émergence des acteurs asiatiques comme Suzlon ou Shenyang Power, qui parviennent à gagner des marchés en Occident.

Modélisation

Une éolienne se modélise principalement à partir de ses caractéristiques aérodynamique, mécanique et électrotechnique. En pratique, on distingue aussi le « grand éolien », qui concerne les machines de plus de 250 kW, de l'éolien de moyenne puissance (entre 36 kW et 250 kW) et du petit éolien (inférieur à 36 kW).

Axe horizontal

Une éolienne à axe horizontal est une hélice perpendiculaire au vent, montée sur un mât. La hauteur est généralement de 20 m pour les petites éoliennes, et supérieure au double de la longueur d'une pale pour les modèles de grande envergure.

Aujourd'hui les plus grandes éoliennes mesurent jusqu'à 180 m en bout de pale avec un moyeu à 120 m pour une puissance de 6 MW.

Puissance récupérable

La puissance du vent contenue dans un cylindre de section est :

avec :

 : masse volumique de l'air (air atmosphérique sec, environ : 1,23 kg/m³ à 15 °C et à pression atmosphérique 1,0132 bar)

 : vitesse du vent en m/s

Une éolienne ne permet de récupérer qu'une partie de cette puissance, car l'écoulement ne peut pas avoir une vitesse nulle après son passage à travers la turbine (dans le cas contraire, cela reviendrait à « arrêter le vent »).

La puissance récupérable par une éolienne est donc :

avec Cp coefficient de performance qui est toujours inférieur à la limite de Betz.

Formule de Betz

L'énergie récupérable est inférieure à l'énergie cinétique de l'air situé en amont de l'éolienne, puisque l'air doit conserver une énergie cinétique résiduelle pour qu'il subsiste un écoulement. Albert Betz a démontré que la puissance maximale récupérable est :

.

Le rendement maximal théorique d'une éolienne est ainsi fixé à , soit environ 59,3 %. Il faut en outre déduire les pertes d'énergie dans la machine (frottements, conversion de l'énergie mécanique du vent en énergie électrique, …).

Production d'énergie électrique

Les éoliennes sont caractérisées par leur puissance électrique. Ainsi une éolienne de 2 MW signifie qu'elle est capable de fournir une puissance électrique maximale de 2 millions de watts.

Les conditions optimales permettant d'atteindre cette puissance maximale correspondent souvent à une vitesse de vent de l'ordre de 15 m/s, soit environ 55 km/h : en dessous de cette vitesse, l'éolienne produit moins d'énergie ; au-dessus, la production n'est pas plus importante, et quand la vitesse du vent atteint le seuil de sécurité (souvent aux alentours de 25 m/s ou 90 km/h)l'éolienne est mise à l'arrêt. La production réelle d'énergie électrique est fonction de la distribution statistique de la vitesse du vent du site.

Le facteur de capacité est le rapport entre la puissance électrique moyenne (calculée sur un an) produite par l'éolienne et sa puissance électrique maximale. En théorie, ce facteur de capacité peut varier de 0 % à 100 %. En pratique, il est compris entre 20 % et 70 % selon les sites, et le plus souvent entre 25 % et 30 %. En moyenne sur un an pour une éolienne bien placée, l'énergie produite correspond à environ 2000 heures de fonctionnement par an à pleine puissance). Les premières installations étant faites dans les endroits les plus favorables, pour les installations plus récentes dans les pays déjà bien équipés ce coefficient baisse progressivement. Les sites favorables sont essentiellement en bord de mer et en hauteur, donc ils sont rares. De plus la production électrique décroit rapidement dès que l'éolienne n'est plus dans la zone favorable. Un coefficient moyen « raisonnable » est de 1 500 heures à pleine charge (qui reste supérieur à celui constaté en Belgique).

Concrètement, une fois que les zones favorables seront saturées d'éolienne, les nouvelles éoliennes, moins bien placées, produiront moins d'électricité.

Ainsi, une éolienne de 2 MW produira le plus souvent une puissance moyenne de 600 kW, et dans les cas les plus favorables, 1 400 kW. Cette puissance est donc la puissance moyenne électrique annuelle maximale que peut fournir l'éolienne sur le réseau.

Par comparaison, une centrale électrique de capacité moyenne (environ 1 300 MW électrique pour une tranche nucléaire ou charbon) peut fonctionner pendant 8 000 heures par an et ainsi produire, à la demande, 4 fois plus d'énergie électrique (kWh) par unité de puissance (W) qu'une éolienne de 2 MW installée sur un bon site, qui ne produira qu'en fonction du vent (et non selon la demande). Concrètement, il faut 5 000 éoliennes aligné sur 250 km pour une centrale nucléaire.

Compte tenu de la quantité annuelle de vent en France, la production électrique par l'éolienne ne peut représenter qu'une faible partie de l'électricité totale produite. À titre de référence en 2009 en France, la production électrique via l'éolien représentait 1,5 % de la production totale d'électricité. Au Danemark, où le pays est saturé d'éoliennes, soit un parc de 3 160 MW en 2008, la production éolienne représentait environ 19 % de la production totale d'électricité (soit 2% de la production totale d'énergie.)

Autres caractéristiques techniques

Pour des raisons de sécurité, il est nécessaire d'immobiliser les pales lorsque le vent est très fort. L'inertie de la turbine est à peu près proportionnelle au cube de la longueur de ses pales alors que la surface résistante au vent est proportionnelle au carré de cette longueur. Les pressions exercées sur une éolienne augmentent donc très rapidement à mesure que sa taille augmente. Ainsi la longueur maximale d'une pale est-elle limitée par la résistance de ses matériaux.

Les coûts de construction et de maintenance d'une éolienne augmentent peu en fonction de sa taille. En limitant tous les coûts, on reste seulement contraint par la résistance des matériaux et par les dimension de ses fondations. Pour la réalisation des pales, l'un des meilleurs matériaux disponible actuellement est l'époxy. Le carbone composite permet de construire des éoliennes de 60 m de rayon, suffisantes pour obtenir quelques mégawatts. Les éoliennes plus petites peuvent être construites dans des matériaux moins chers, tels que la fibre de verre, l'aluminium ou le bois lamellé.

Les petites éoliennes sont dirigées vers le vent par un aileron arrière, à la manière d'une girouette. Les grandes éoliennes possèdent des capteurs qui enregistrent la direction du vent et actionnent un moteur qui fait pivoter le rotor.

Quand elle tourne face au vent, l'éolienne agit comme un gyroscope, et la précession essaie de faire faire volte-face en avant ou en arrière à la turbine. Chaque pale est soumise à une force de précession maximale lorsqu'elle est verticale et minimale lorsqu'elle est horizontale. Ces changements cycliques de pression sur les pales peuvent vite fatiguer et casser la base des pales ou fausser l'axe de la turbine.

Quand une éolienne puissante possède plus d'une pale, celles-ci sont perturbées par l'air déplacé par la pale précédente. Le rendement s'en trouve réduit.

Les vibrations diminuent quand le nombre de pales augmente. En plus de fatiguer les mécanismes, certaines vibrations sont audibles et provoquent des nuisances sonores. Cependant, les éoliennes possédant moins de pales, plus grandes, fonctionnent à un nombre de Reynolds plus élevé, et sont par conséquent plus efficaces. Le prix d'une éolienne augmentant avec le nombre de pales, leur nombre optimal semble donc être de trois onshore peut être deux offshore (plus de bruit autorisé).

Les rotors à nombre pair de pales ne nécessitent pas obligatoirement de fixer individuellement chaque pale sur un moyeu. Aussi, beaucoup d'éoliennes commercialisées ont deux pales, car il est plus facile et plus économique d'usiner celles-ci d'un seul tenant. Les éoliennes à trois pales, bien plus efficaces et silencieuses, doivent généralement être montées sur place.

La plupart des éoliennes artisanales possèdent deux pales, car elles sont fabriquées à partir d'une seule longue pièce courbée de bois ou de métal, montée sur un générateur de récupération, tel qu'un alternateur de voiture ou un moteur de machine à laver.

Comme le mât produit des turbulences derrière lui, le rotor est généralement placé devant celui-ci. Dans ce cas, le rotor est placé assez loin en avant, et son axe est parfois incliné par rapport à l'horizontale, afin d'éviter que les pales ne viennent heurter le mât. On construit parfois des éoliennes dont le rotor est placé en aval du mât, malgré les problèmes de turbulences, car les pales peuvent ainsi être plus souples et se courber sans risquer de heurter le mât en cas de grand vent, réduisant ainsi leur résistance à l'air.

Les anciens moulins à vent sont équipés de voilures en guise de pales, mais celles-ci ont une espérance de vie très limitée. De plus, leur résistance à l'air est relativement élevée par rapport à la puissance qu'elles reçoivent. Elles font tourner le générateur trop lentement et gaspillent l'énergie potentielle du vent dont la poussée implique qu'elles soient montées sur un mât particulièrement solide. C'est pourquoi on leur préfère aujourd'hui des pales profilées rigides.

Quand une pale est en rotation, la vitesse relative du vent par rapport à la pale est supérieure à sa vitesse propre, et dépend de l'éloignement du point considéré de la pale avec son axe de rotation. Cela explique que le profil et l'orientation de la pale varient dans sa longueur. La composition des forces s'exerçant sur les pales se résume en un couple utile permettant la production d'électricité par l'alternateur, et une force de poussée axiale, répercutée sur le mât par l'intermédiaire d'une butée. Cette poussée peut devenir excessive par vent trop fort ; c'est pourquoi les éoliennes sont alors arrêtées et orientées pour offrir la moindre prise au vent.

Des essais sont effectués (2004) pour utiliser des pales cylindriques et bénéficier de l'effet Magnus.

Axe horizontal et pales horizontales

Un essai d'un nouveau type d'éolienne est en cours (2006) sur un bâtiment d'habitation en France à Équihen, dans le Pas-de-Calais : deux groupes de lames fixées sur un axe qui entraîne le générateur.

Axe vertical

Plusieurs solutions d’éoliennes à axe vertical ont été expérimentées :

• 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. On distingue plusieurs déclinaisons autour de ce principe, depuis le simple rotor cylindrique - deux profils disposés de part et d'autre de l'axe - jusqu’au rotor parabolique où les profils sont recourbés en troposkine et fixés au sommet et à la base de l'axe vertical. Une éolienne de ce type a fonctionné au Québec (au Parc Éole) de 1983 à 1992. De grandes dimensions (110 m de haut), le prototype s'est détérioré lors d'un coup de vent, il était conçu pour fournir 4 MW avec un générateur au sol. Ces éoliennes de type Darrieus, de plus petites dimensions, sont à la base du projet Wind'It.
• Le type Savonius, constitué schématiquement de deux ou plusieurs godets demi-cylindriques légèrement désaxés 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. Une déclinaison de ce type d'éolienne est le Moulinet dont l’anémomètre constitue une bonne illustration. Citons aussi les modèles à écran où on masque le côté « contre-productif » de l’engin. Ce modèle utilise un système d’orientation de l’écran par rapport au vent, supprimant de fait un avantage essentiel des éoliennes à axe vertical. Ajoutons finalement que l’accroissement important de la masse en fonction de la dimension rend l’éolienne de type Savonius peu adaptée à la production de masse dans un parc à éoliennes.

• Le type à voilure tournante est caractérisé par l'optimisation dynamique du calage des pales en temps réel, celles-ci se comportent de la même manière que la voile d'un voilier qui ferait un cercle dans l'eau avec un vent déterminé. Les pales reproduisent ainsi fidèlement toutes les allures d'un voilier suivant leur cap tangentiel (angle) par rapport à la direction du vent. Il en résulte que la poussée tangentielle sur les bras du rotor supportant les pales est toujours optimisée. Ce procédé, qui a reçu la médaille d'argent au salon international des inventions de Genève en 2006, en est encore au stade expérimental.

D'autres modèles sont construits aujourd'hui par diverses entreprises pour s'affranchir des limites introduites par la taille des pales, par leur vitesse de rotation et par le bruit. Le principe est celui d'un rotor d'axe vertical qui tourne au centre d'un stator à ailettes. Ce type de solution réduit considérablement le bruit tout en autorisant le fonctionnement avec des vents supérieurs à 220 km/h et quelle que soit leur direction. L'encombrement total est plus faible aussi bien pour l'espace au sol que pour la hauteur. Pour une éolienne de 3 m de diamètre et 2 m de haut une production de 8 000 kWh/an est annoncée (2007).

Ce dispositif est installé seulement sur de petites éoliennes ; il modifie les efforts de l'air sur les pales. Il agit de façon à sortir le rotor du lit du vent de façon à diminuer ses effets sur les pales. La force du vent comprime un ressort qui maintient, en temps normal, la tête de l’éolienne verticale.

Régulation aérodynamique sur les pales

• Le pas variable permet de modifier l'orientation des pales sur le moyeu et permet ainsi de modifier l'énergie récupérée par l'éolienne. Entre autres, il permet d’arrêter l’éolienne afin de la protéger des vents violents (en plaçant les pales en drapeau et en réduisant donc la prise au vent) ou à maximiser l'énergie absorbée par l'éolienne pour la faire démarrer.
• Le pas fixe empêche les pales d'accélérer en utilisant l’effet Stall qui agit comme un frein par le décrochage aérodynamique au niveau de la pale du rotor.
• Les volets (aérofrein ou flaps) s’ouvrent automatiquement, si la vitesse du vent devient excessive ou si un problème est décelé, et ralentissent les pales ou diminuent leur portance en provoquant un décrochage aérodynamique.
• Les spoilers, encastrés dans le bord d'attaque des pales (freinage aérodynamique). Chaque spoiler est maintenu dans son logement par un ressort de rappel et une masse tarés individuellement en fonction de la position du spoiler sur le bord d'attaque de la pale. À partir d'une certaine vitesse linéaire, la force centrifuge provoque l'éjection de tous les spoliers au même moment modifiant ainsi le profil aérodynamique de la pale.

Éoliennes à axe vertical

Il existe des systèmes grâce auxquels les ailes se décalent plus ou moins pour augmenter l'étendue des vitesses d'action. Si la vitesse du vent est basse, les ailes sont complètement déployées, si la vitesse est trop forte, les ailes sont complètement fermées et l'éolienne forme un cylindre.

Arrêt par frein à disque automatique

Il ne s’agit plus d’un système de ralentissement, mais d'arrêt complet de l’éolienne.

Ce mécanisme se déclenche automatiquement lorsque la vitesse atteint un certain seuil par l’intermédiaire d’un détecteur de vitesse. En cas de ralentissement du vent, le frein est relâché et l’éolienne fonctionne de nouveau librement. Ce dispositif peut aussi se déclencher lorsqu'un problème de réseau électrique est détecté.

Les éoliennes à pas fixe et régulation Stall comportent souvent, par sécurité, deux freins à disques.