Une éolienne

Une éolienne est un dispositif qui utilise la force motrice du vent. Cette force peut être utilisée mécaniquement (dans le cas d'une éolienne de pompage), ou produire de l'électricité (dans le cas d'un aérogénérateur).

Fonctionnement

Une éolienne permet de transformer l'énergie cinétique du vent en énergie électrique.




Elle se compose des éléments suivants :

le mât permet de placer le rotor à une hauteur suffisante pour permettre son mouvement (nécessaire pour les éoliennes à axe horizontal) et/ou placer ce rotor à une hauteur lui permettant d'être entrainé par un vent plus fort et régulier qu'au niveau du sol. Le mât abrite généralement une partie des composants électriques et électroniques (modulateur, commande, multiplicateur, générateur, etc.)
un rotor, composé de plusieurs pales (en général 3) et du nez de l'éolienne. Le rotor est entraîné par l'énergie du vent et peut être couplé directement ou indirectement à une pompe (cas des éoliennes de pompage) ou plus généralement à un générateur électrique. Le rotor est relié à la nacelle par le moyeu.
une nacelle montée au sommet du mât et abritant les composants mécaniques et pneumatiques et certains composants électriques et électroniques nécessaires au fonctionnement de la machine
dans le cas des éoliennes produisant de l'électricité, un poste de livraison situé à proximité du parc éolien permet de relier ce parc au réseau électrique pour y injecter l'intégralité de l'énergie produite.




Historique

Depuis l'Antiquité, les moulins à vent convertissent l'énergie éolienne en énergie mécanique (généralement utilisé pour moudre du grain).
De nos jours, on trouve encore des éoliennes couplées à des pompes à eau, généralement utilisées pour irriguer des zones sèches, assécher des zones humides, ou abreuver le bétail.
En 1888, Charles F. Brush construit une petite éolienne pour alimenter sa maison en électricité, avec un stockage par batteries .
La première éolienne « industrielle » génératrice d'électricité est développée par le danois Poul La Cour en 1890, pour fabriquer de l'hydrogène par électrolyse. Dans les années suivantes, il crée l'éolienne Lykkegard, dont il aura vendu 72 exemplaires en 1908 .
Une éolienne expérimentale de 800 KVA a fonctionné de 1955 à 1963 en France, à Nogent-le-Roi, dans la Beauce. Elle avait été conçue par le Bureau d'Etudes Scientifiques et Techniques de Lucien Romani et exploitée pour le compte d'EDF.
Simultanément, deux éoliennes Neyrpic de 130 et 1 000 KW furent testées par EDF à Saint-Rémy-des-Landes (Manche) .
Il y eut également une éolienne raccordée au secteur sur les hauteurs d'Alger (Dély-Ibrahim) en 1957.
Cette technologie a été quelque peu délaissée par la suite et il faudra attendre les années 1970 pour que le Danemark reprenne les développements d'éoliennes.


Critères de choix de l'implantation éolienne

Le vent

L'efficacité d'une éolienne dépend de son emplacement. En effet, la puissance fournie augmente avec le cube de la vitesse du vent, raison pour laquelle les sites sont d'abord choisis en fonction de la vitesse et la fréquence des vents présents.
Un site avec des vents d'environ 30 km/h de moyenne sera environ 8 fois plus productif qu'un autre site avec des vents de 15 km/h de moyenne.
Une éolienne fonctionne d'autant mieux que les vents sont réguliers et fréquents.
Un autre critère important pour le choix du site est la constance de la vitesse et de la direction du vent, autrement dit la turbulence du vent.
En effet, en règle générale, les éoliennes sont utilisables quand la vitesse du vent est supérieure à une valeur comprise entre 10 et 20 km/h, sans toutefois atteindre des valeurs excessives qui conduiraient soit à la destruction de l'éolienne, soit à des coûts de construction et de maintenance prohibitifs.
La vitesse du vent doit donc être comprise le plus souvent possible entre ces deux valeurs pour un fonctionnement optimal de l'éolienne.
De même, l'axe de rotation de l'éolienne doit rester la majeure partie du temps parallèle à la direction du vent. Même avec un système d'orientation de la nacelle performant, il est donc préférable d'avoir une direction de vent la plus stable possible pour obtenir un rendement optimal.
Certains sites à proximité d'obstacles sont ainsi à proscrire car le vent y est trop turbulent (arbres, bâtiments, escarpements...).
De manière empirique, on trouve les sites propices à l'installation d'éoliennes en observant les arbres et la végétation.
Le site est intéressant s'ils sont constamment courbés par les vents.
Les implantations industrielles utilisent une carte de la vitesse des vents, ou des données accumulées par une station météorologique proche.
En France, un projet est rentable économiquement si la vitesse moyenne annuelle du site est supérieure à 6 ou 7 m/s, soit 21 à 25 km/h.
Cette rentabilité dépend de nombreux autres facteurs, dont les plus importants sont le coût de connexion au réseau et le coût des fondations (déterminant dans le cas d'un projet offshore).
Certains sites bien spécifiques augmentent la vitesse du vent et sont donc plus propices à une installation éolienne :
L'effet tunnel ou effet Venturi: au niveau des cols, entre deux montagnes comme entre deux grands bâtiments, le vent est souvent plus fort.
L'air est compressé entre les montagnes ou les bâtiments.
Pour garder un débit d'air constant, la vitesse augmente donc considérablement.
De plus, le vent garde généralement une direction constante.
Ces lieux sont donc très appropriés pour les éoliennes. Ils sont cependant le plus souvent de surface restreinte et il est difficile d'y placer une grande quantité d'éoliennes
Suivant le même principe, l'air est compressé au sommet des collines et le vent y est donc accéléré.
Il est tout de même important que les flancs de la colline soient en pente douce et sans escarpements susceptibles de provoquer des turbulences néfastes au fonctionnement de l'éolienne
La mer et les lacs sont aussi des emplacements de choix : il n'y a aucun obstacle au vent, et donc, même à basse altitude, les vents ont une vitesse plus importante et moins turbulents.
La proximité d'une côte escarpée, en revanche, créera également des turbulences, usant prématurément certains composants mécaniques de l'éolienne.

Autres critères

D'autres critères sont pris en compte pour le choix du site.

La nature du sol : il doit être suffisamment résistant pour supporter les fondations de l'éolienne.
Ce critère n'est pas déterminant car dans le cas d'un sol meuble, des pieux seront alors enfoncés sous les fondations de l'éolienne
L'accessibilité du site (virages, pente, passage de ponts) nécessaire au transport des différents éléments de l'éolienne (pales, tour, nacelle) et des grues nécessaires à son montage.
Cette contrainte peut limiter la puissance maximale installable par machine
La connexion au réseau électrique.
Pour cela, les petites fermes d'éoliennes sont le plus souvent situées à proximité d'un poste de transformation haute tension afin de diminuer le coût de raccordement qui est directement fonction de la distance à ce poste. Pour les grosses fermes éoliennes, le réseau doit être en mesure de supporter l'énergie produite, et son renforcement est parfois nécessaire (renforcement ou création de poste de transformation).
Le raccordement est plus coûteux dans le cas des projets offshores, mais les sites sont beaucoup plus ventés et les contraintes grandement plus faibles
Les éoliennes peuvent avoir un impact sur les oiseaux (collision, dégradation de l'habitat...). A
ussi, Birdlife International a fait un certain nombre de recommandations au Conseil de l'Europe à ce sujet : les réserves naturelles, les routes migratoires importantes (cols), etc. sont des lieux à éviter pour la sauvegarde des oiseaux
Même si les éoliennes de dernière génération sont relativement silencieuses, une étude de l'impact sonore sur les habitations est effectuée avant l'implantation des parcs éoliens.
En fonction du résultat, cette implantation peut être modifiée afin de respecter la réglementation (émergence maximale de 5 dB(A) le jour et 3 dB(A) la nuit).
La distance entre les éoliennes et les habitations est généralement de 300 m.
À environ 500 m, elles sont inaudibles ou très peu audibles et leur bruit est généralement couvert par le bruit du vent.

Sur la terre ferme

Dans une installation éolienne, il est préférable de placer la génératrice sur un mât à une hauteur de plus de 10 m jusqu'à environ 100 m, de façon à capter des vents plus forts.
Dans les zones où le relief est très complexe, il est possible de doubler la quantité d'énergie produite en déplaçant l'installation de seulement quelques dizaines de mètres.
C'est pour cela que l'on étudie et modélise bien souvent les vents avant l'installation d'éoliennes.
L'énergie éolienne est aisément exploitable dans les Grandes plaines nord-américaines, dans les plaines centrales eurasiennes, ainsi que sur la cime de certaines chaînes de montagnes.
Les sites soumis aux tempêtes sont également propices aux éoliennes.
Mais le plus important potentiel d'énergie éolienne se situe dans les océans, et particulièrement au 40e parallèle sud.


Pleine mer

À condition qu'elles soient implantées assez loin de la côte, les éoliennes en pleine mer (offshore) entraînent moins d'impact sur le paysage.
L'installation d'éoliennes en mer est beaucoup plus coûteuse qu'à terre : les mâts doivent être étudiés pour résister à la force des vagues et du courant, la protection contre la corrosion (particulièrement importante du fait des embruns) doit être renforcée, l'implantation en mer nécessite des engins spécialisés, le raccordement électrique implique des câbles sous-marins coûteux et fragiles, et la moindre opération de maintenance peut nécessiter de gros moyens.
En revanche, une éolienne offshore peut fournir jusqu'à 5 MégaWatt (à comparer aux éoliennes terrestres limitées à 3 MW dans des sites bien ventés).
Dans les zones où la mer est peu profonde (par exemple au Danemark), il est assez simple de les installer, et elles ont un bon rendement.
L'ensemble des éoliennes (en pleine mer ou terrestres) du Danemark produit, début 2006, 23 % de l'électricité nécessaire au pays.
Ce pays est un leader et précurseur dans la construction et l'utilisation de l'énergie éolienne, avec un projet lancé dans les années 1970 pour produire la moitié de l'énergie du pays de cette manière.
Alors que les États-Unis ont perdu tout intérêt dans les éoliennes lors de la chute des cours du baril après la crise des années 1970, le Danemark a poursuivi ses efforts, et est finalement devenu le premier exportateur mondial de grandes turbines, qui produisent entre 0,66 et 3 MW chacune.
Le parc éolien de Vindeby, le premier parc éolien en mer au monde, a été construit en 1991 par le fabricant danois Bonus (devenu Siemens Windpower).
Le parc de Nysted, un des projets les plus récents, est aujourd'hui le plus puissant parc éolien offshore avec 72 éoliennes et une puissance maximale de 165,6 MW.
Aujourd'hui de grand parcs offshore sont en construction au large de l'Angleterre voir le projet London Array dans la baie de la Tamise, ainsi qu'en Écosse pour une puissance d'environ 4 000 MW au total.
La France ne possède pas de parcs offshore. Même si quelques sociétés ont des projets en cours, le blocage semble être politique......



Éoliennes en pleine mer, près de Copenhague. Malgré la faible force du vent à cet endroit, elles produisent une énergie significative 97 % du temps

Altitude


Le vent est engendré par une différence de température ou de pression.
Il est ralenti par les obstacles, et la rugosité du sol, et est généralement plus fort en altitude.
Les plaines ont des vents forts parce qu'il y a peu d'obstacles.
Les cols de montagne ont eux aussi des vents forts, parce qu'ils canalisent les vents de haute altitude.
Dans certains cols, les vents proviennent de l'écart de température entre les deux versants.
Les éoliennes installées sur les côtes ou en bordure de mer bénéficient de vents puissants et réguliers, car la surface de l'eau ne constitue pas un obstacle (faible rugosité), et parce que la différence de température mer/terre favorise des vents thermiques.


Villes

En environnement urbain, où il est difficile d'obtenir de puissants flux d'air, de plus petits équipements peuvent être utilisés pour faire tourner des systèmes basse tension.
Des éoliennes sur un toît fonctionnant dans un système d'énergie distribuée permettent d'alléger les problèmes d'acheminement de l'énergie et de pallier les pannes de courant.
De petites installations telles que des routeurs wi-fi peuvent être alimentées par une éolienne qui recharge une petite batterie.
En ville, on pourra envisager l'implantation d'éoliennes à axe vertical ou hélicoïdales, qui ont un rendement inférieur mais qui produisent de l'électricité même par vent faible.
Il est aussi possible d'installer des éoliennes sur le toit des tours comme à La Défense(paris)


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

Le débat environnemental


Avantages

Selon Hubert Reeves, « chaque éolienne est garante d'un peu moins de gaz carbonique dans l'atmosphère ou d'un peu moins de déchets nucléaires à gérer par les générations à venir ».
L’énergie éolienne est une énergie renouvelable idéale selon Ressources naturelles Canada parce que :
il s’agit d’une forme d’énergie indéfiniment durable et propre
elle ne nécessite aucun carburant
elle ne crée pas de gaz à effet de serre (sauf si l'on considère que ce type d'énergie est intermittent et nécessite l'utilisation de centrales thermiques constamment au ralenti afin de réguler les variations imprévisibles de la production éolienne)
chaque mégawatt-heure d’électricité produit par l’énergie éolienne aide à réduire de 0,8 à 0,9 tonne les émissions de CO2 rejetées chaque année par la production d’électricité d'origine thermique
elle ne produit pas de déchets toxiques ou radioactifs car elle est entièrement en métal et plastique
lorsque de grands parcs d’éoliennes sont installés sur des terres agricoles, seulement 2 % du sol environ est requis pour les éoliennes. La surface restante est disponible pour l’exploitation agricole, l’élevage et d’autres utilisations
les propriétaires fonciers reçoivent souvent un paiement pour l’utilisation de leur terrain, ce qui augmente leur revenu ainsi que la valeur du terrain. (les loyers sont autour de 1500 à 2000 € par MW)
la propriété des aérogénérateurs par des particuliers et la communauté permet aux gens de participer directement à la conservation de notre environnement
Selon EDF, l'énergie éolienne se révèle une excellente ressource d'appoint d'autres énergies, notamment durant les pics de consommation, en hiver par exemple.
les éoliennes permettent au travers de la taxe professionnelle de participer au développement local avec une contribution annuelle de l'ordre de 10 000€ par MW (ce chiffre peut varier en fonction des communautés de communes concernées). Certaines communes rurales peuvent ainsi revivre et assurer des travaux pour lesquels elles s'endettaient jusque là.
une éolienne est en grande partie recyclable car construite en acier. Après son temps de fonctionnement (environ 20 ans) elle est entièrement démontable, on peut même si besoin retirer la fondation en béton. Elle n'aura laissé aucun produit contaminant autour d'elle et pourra être très facilement remplacée.


Inconvénients

Plusieurs facteurs freinent l'implantation des parcs de production éoliens :

l'énergie intermittente et imprévisible produite par l'éolien nécessite une régulation par des centrales thermiques, dont les inconvénients doivent être pris en considération.
Sur les sites français, une éolienne produit une puissance moyenne égale à 25% de sa puissance nominale pour un site sur le littoral, et 10 % pour des sites intérieurs moins favorables.Source ADEME.
De ce fait pour produire 1 KWh éolien, il faut en produire 3 thermiques dans le meilleur des cas et 9 dans les cas défavorables. Une politique énergétique basée massivement sur l'éolien entraînerait ainsi paradoxalement une augmentation d'émission de CO2. Les centrales nucléaires ont un démarrage beaucoup trop lent (par mesure de sécurité) pour effectuer ce rôle de régulation. Les ressources hydro-électriques peuvent cependant également assurer ce rôle de régulateur mais en France, les sites sont saturés..[8]. Leif-Erik Langans, de la Ruhr-Universität de Bochum, a ainsi étudié un système de centrale hydraulique à réserve pompée. L'énergie éolienne excédentaire sert à amener l'eau dans un bassin surélevé. En cas de déficit d'énergie, cette réserve d'eau passe au travers de turbines productrices d'électricité. Une autre solution en cours d'évaluation aux États-Unis est le stockage sous forme d'air comprimé dans le sous-sol ou dans de simples conduites (pipelines).
les riverains craignent généralement une dégradation de l'aspect visuel des sites concernés, ainsi qu'un impact sur l'écosystème par le bruit des éoliennes et les interférences électromagnétiques induites par leurs générateurs.
Ces craintes recouvrent plus prosaïquement une inquiétude quant à la dépréciation du foncier et de l'immobilier à proximité des parcs éoliens ; cependant, certaines études montrent que l'éolien n'a que peu d'influence sur les cours de l'immobilier[9].
les riverains déplorent le bruit[10] des éoliennes : le bruit peut être d'origine mécanique ou aérodynamique. Les éoliennes installées actuellement produisent un bruit de 55 dBA à leur pied ;
la réception des ondes hertziennes peut être perturbée, ce qui provoque une image bruitée sur les récepteurs de télévision analogique. Dans ce cas, il est fréquent que la société implantant les éoliennes finance la construction d'un nouvel émetteur numérique de télévision ;
des flashes très puissants sont émis toutes les cinq secondes en haut des mâts d'éoliennes à la demande de l'aviation civile. Ces flashes perturbent la quiétude nocturne de la campagne et sont une pollution lumineuse supplémentaire ;
les éoliennes peuvent constituer pour la migration des oiseaux un obstacle mortel. En effet, les pales en rotation sont difficilement visibles par mauvais temps ou la nuit. Les oiseaux peuvent alors entrer en collision avec celles-ci. Plus le parc éolien est dense, plus ce risque est grand. Des feux sur les pales peuvent réduire ce danger. Cependant, aucune étude sérieuse ne semble actuellement avoir démontré la réalité du danger pour les oiseaux. La LPO (Ligue de Protection des Oiseaux) se montre favorable au développement de parcs éoliens si ceux-ci sont construits en suivant ses recommandations
les parcs éoliens produisent des interférences avec les radars et en particulier avec les radars météorologiques. En effet, les éoliennes peuvent constituer un obstacle à la propagation de l'onde. Selon la proximité et la densité du parc d'éoliennes, celui-ci peut constituer un blocage majeur à basse altitude, donnant une zone d'ombre dans les données. De plus, comme les pales sont en rotation, le radar enregistre leur vitesse de déplacement, qui est indifférentiable d'une cible en mouvement comme la pluie. Habituellement, on filtre les échos de sol indésirables par leur vitesse Doppler. Dans le cas de précipitations, la vitesse lue sera un mélange entre la vitesse des gouttes et celle des pales, ce qui peut mener à une fausse interprétation des mouvements de l'air. Une étude sur cette possible interférence est donc nécessaire lors de l'examen d'un projet d'éoliennes
par son principe de fonctionnement même, une éolienne absorbe l'énergie du vent et le rend turbulent, créant ainsi un effet de sillage jusqu'à 10 diamètres de rotor derrière elle.


Parc éolien de Donzère (on les aperçois quand on passe sur l'autoroute A7 vers montelimar)