L'électricité éolienne
Généralités
L'énergie du vent a depuis longtemps été utilisée
par l'homme, d'une part, par la marine à voiles (depuis 5000 ans) et,
d'autre part, dans les moulins à vent, mais l'abondance apparente du
pétrole avait entrainé le déclin de ces deux applications
d'une énergie souvent abondante et gratuite mais inconstante et parfois
tempêtueuse. Cependant à la fin du XXème siècle le
renouveau de la voile de plaisance et de compétition a induit le développement
de minigénérateurs électriques entrainés par la
seule force du vent pour alimenter de façon durable les instruments de
plus en plus informatisés des navigateurs. Progressivement ils furent
d'ailleurs couplés à des générateurs photovoltaïques
dont nous parlons dans un autre chapitre.
Avant d'examiner l'évolution actuelle de ces générateurs
éoliens nous allons présenter une carte sur laquelle figuent les
zones les plus ventées et donc propices à l'utilisation de cette
énergie peu coûteuse.
Ce diagramme indique ce que l'on peut espérer à différentes
altitudes. Il s'agit évidemment de valeurs moyennes. On voit que la France
est particulièrement bien placée de même que les Iles Britanniques.
Ce diagramme montre à l'évidence l'intérêt d'installer
des éoliennes en bord de mer et même "offshore" en particulier
en Manche et l'intérêt de les placer à une hauteur optimale
pour avoir le meilleur rendement sachant que si la vitesse du vent est trop
faible une éolienne ne tourne pas et, dans le cas inverse, s'il est trop
important, pour des raisons de sécurité on interdira sa rotation.
L'aérogénérateur tripale
L'éolienne
telle qu'on la connait aujourd'hui est perchée sur un mât de 80m
environ (en pratique on trouve des éoliennes entre 50 et 110m) ancré
profondément dans le sol grâce à une importante base de
béton. Le générateur électrique est solidaire de
l'axe des pales mais en passant par un multiplieur d'un facteur 100. En effet
une éolienne tourne à environ 15 tours/mn tandis que l'alternateur
qui lui est associé fonctionne optimalement lorsqu'il tourne à
1500tr/mn. Le multiplieur mécanique est donc indispensable et c'est l'élément
le plus fragile et le plus bruyant du dispositif. Certains constructeurs ont
donc cherché à le supprimer en développant des alternateurs
spécifiques discoïdes multi-pôles à aimants permanents
qui présentent l'avantage d'avoir un meilleur rendement et de réduire
le bruit qui provient essentiellement du multiplicateur (c'est le cas de Jeumont-Industrie
qui a expérimenté un alternateur de ce type de 750kW).
Un régulateur mécanique permet d'éviter les a-coups tandis
qu'un régulateur électronique de puissance est placé en
intermédiaire entre le générateur et le transformateur
de sortie. Ce régulateur est indispensable pour ajuster la fréquence
du courant produit à celle du réseau (50Hz). La puissance d'une
éolienne est fonction du cube de la vitesse du vent et atteint le plus
souvent 1 ou 1.5 MW, mais des éoliennes de 5MW et sans doute plus seront
bientôt en service sur des mâts de plus de 100m de haut. Notons
qu'en moyenne une éolienne de 2MW produit à peu près l'énergie
électrique utilisée par 2000 foyers (hors chauffage).
On trouve en pratique actuellement deux types d'éoliennes selon la dimension
des pales. Celles qui font moins de 60m de diamètre possèdent
des pales dites "à pas calé" c'est à dire dont
le profil est figé par rapport au moyeu d'ancrage et est défini
de telle sorte qu'au delà d'une certaine vitesse de vent il y ait décrochage
limitant la puissance de l'éolienne.
Les éoliennes plus récentes ou plus grandes sont dites "à
pas variable". Dans ce cas la pale peut pivoter autour de son axe et l'anémomètre
solidaire de la nacelle va servir à piloter un logiciel qui commandera
l'orientation optimale de la pale en fonction du vent. Tandis qu'une girouette
permettra de gérer la rotation de l'ensemble de la tourelle pour placer
l'axe du rotor face au vent. En fait l'ensemble nacelle plus pales pesant plusieurs
dizaines de tonnes on va en limiter les rotations et ne pas suivre toutes les
petites fluctuations directionnelles du vent pour ne pas user prématurément
les roulements permettant cette rotation.
Précisons qu'une pale d'éolienne est dérivée de
la technologie de fabrication des bateaux de plaisance. En effet elle comporte
généralement une âme creuse (pour limiter le poids) en bois,
en fibre de verre ou de carbone autour de laquelle la forme extérieure
est réalisée en époxy. Un fil de cuivre longitudinal interne
sert de parafoudre.
Le transformateur de sortie fournit une tension de 20000V (ici encore ce transfo
dépend du réseau de transport moyenne tension de l'électricité
du pays concerné, en France ce sera donc 20000V en général
mais pour des champs d'éoliennes important on peut rencontrer des tensions
bien supérieures, jusqu'à 225000V). Cette liaison au réseau
nécessite une électronique particulière permettant une
connexion douce au réseau (car on ne peut brancher brutalement des MW)
lorsque le vent se lève.
Une éolienne ne fonctionne pas en permanence il lui faut un vent minimal
de l'ordre de 10km/h (ou 3m/s) et au dela de 90 km/h (25m/s) on préfère
arrêter sa rotation pour des raisons de sécurité ce qui
n'occasionne pas une très grande perte énergétique car
des vents au dela de cette vitesse sont heureusement rares. Ils représentent
en effet sensiblement moins de 1% du temps dans nos contrées (à
la condition que le dérèglement climatique soit enrayé
car la tendance est effectivement à l'augmentation de la fréquence
des tempêtes).
Quelques chiffres
Le premier parc
éolien français a vu le jour en 1998 dans l'Aude avec une puissance
installée de 7.5MW pour dix éoliennes. Depuis le parc s'est développé
pour atteindre 1200MW à la fin 2006 et 2000MW en fin 2007. Mais bien
que la France possède le second gisement potentiel de l'union européenne
notre parc éolien (4000 MW en fin 2009) est très loin derrière
celui de l'Espagne (16000 MW) ou de l'Allemagne (18000 MW installés dès
2005 et plus de 24000 MW en 2009) pourtant sensiblement moins bien loties en
terme de vent. Alors qu'en 1997 15% de notre électricité était
d'origine renouvelable, essentiellement hydraulique, les prévisions nous
laissent envisager officiellement pour 2010 un niveau de 21% seulement grâce
à l'apport éolien en France, tandis que l'ensemble de l'union
européenne pourrait disposer d'une puissance installée de 100000MW
(65000 MW en fin 2008) dont les 2/3 proviendrait des installations allemandes,
espagnoles et danoises . Notons qu'en fin 2010 le gouvernement français
a décidé de freiner l'implantation d'éoliennes ce qui ne
va évidemment pas dans le sens du développement d'énergies
renouvelables.
Notons à titre d'exemple que le parc éolien danois offshore de
Horns Rev (photo) construit dès 2002 et situé dans la mer du Nord,
à quelques 14 à 20 km de la côte jutlandaise était
avec ses 80 éoliennes Vestas de 2 MW d'une puissance totale de 160 MW,
le plus grand parc éolien offshore du monde. La production d’électricité
de ce parc est suffisante pour couvrir les besoins en électricité
de 150.000 foyers danois. (Photo Claus Bøjle Møller, © 2003
DWIA, source www.windpower.org)
La mini-éolienne
L'aérogénérateur
précédent est destiné à l'alimentation générale,
mais nombreux sont les utilisateurs qui aimeraient disposer de leur générateur
personnel, de puissance adaptée à leur consommation. Un tel dispositif
serait évidemment très apprécié dans les zones où
il est difficile d'amener une ligne EdF, certaines zones montagneuses ou iliennes
par exemple. Rappelons que sur le seul territoire français 25000 sites
ne sont pas raccordés au réseau EdF
Une petite PME Finlandaise, Oy
Windside Production Ltd, a expérimenté depuis près
de dix ans des éoliennes adaptées à l'habitat individuel
qui au
lieu
de pales tournant autour d'un axe horizontal comportent une double hélice
très compacte autour d'un axe vertical (voir photo ci-contre). Le résultat
est extraordinaire car absolument silencieux, avec un entretien quasi nul et
une durée de vie supérieure à 75 ans et un rendement très
supérieur car ces éoliennes tournent même pour des vents
d'à peine 4km/h ne sont évidemment pas sensibles aux changements
de direction du vent et ne posent aucun problème en cas de tempête
à plus de 250km/h...Et elles ne génèrent aucune nuisance
non plus pour les oiseaux.
Cette éolienne a été primée par la Presse
Européenne de l' Environnement lors du Salon Pollutec, en novembre
2005. Le modèle présenté sur la photo de droite avec sa
double hélice de 1m de haut et 30cm de diamètre fournirait environ
300kWh/an sur un toit normand, tandis qu'un modèle plus imposant de 4m
de haut (WS-4) pourrait fournir dans les mêmes conditions environ 3500kWh
Ex de puissance générée par cette turbine en fonction
de la vitesse du vent (doc
Windside)
Pour conclure ce chapitre je voudrais tordre le cou à certaines idées
farfelues que des esprits pervers entretiennent pour tenter de contrer le
développement des éoliennes. La première concerne le
bruit. Il y a déjà plusieurs années j'ai passé
un après-midi au pied d'une éolienne, située sur un sommet,
en Forêt Noire. Le vent y est permanent et cette éolienne tourne
donc constamment. Je ne me souviens pas avoir été géné
par le bruit, mais au contraire avoir écouté les chants d'oiseaux
et tenté de les identifier avec un ami ornithologue. Les éoliennes
situées au voisinage de Fécamp sur la falaise ne sont pas plus
bruyantes et lors d'un récent passage à leur pied j'ai infiniment
plus été indisposé par un bruit de mobylette que par
les éoliennes qui tournaient en silence. La seconde idée loufoque
concerne les éoliennes offshore dont les ondes électromagnétiques
éloigneraient les poissons. C'est aussi stupide que l'assertion selon
laquelle la raréfaction des coquilles St Jacques en baie de Somme serait
due aux phoques veaux marins (assertion publiée par un journal local
dont le rédacteur en chef ne craint sans doute pas le ridicule).
Ceci ne signifie évidemment pas que l'on doit mettre des éoliennes
n'importe où selon une absence totale de planification comme cela
se pratique actuellement en France. Dans notre pays il y a en effet un lobby
puissant et une absence de réglementation, doublée de subventions
gigantesques versées indirectement par l'ensemble des contribuables
qui font qu'installer une éolienne est extrêmement rentable pour
la société qui l'installe (en faisant des profits de plus de
40%), rentable aussi pour les fournisseurs allemands ou espagnols de ces matériels,
mais coûteux pour EdF qui est tenue de racheter le courant produit
à un coût supérieur à son prix de vente (ce qui
a terme est évidemment anti-économique et représente
des milliards d'euros annuels qui pourraient être mieux employés
à développer la recherche sur les énergies renouvelables
et les économies d'énergie avec l'objectif de créer
des emplois en France ce que ne crée absolument pas un parc d'éoliennes
automatisées).
L'énergie éolienne pour l'éclairage public
Dans une commune l'éclairage public peu représenter une part importante
du budget. Le recours aux nouvelles technologies est donc susceptible d'apporter
des solutions économiques à long terme. Présenté
en juin dernier, le lampadaire Windela, créé par la société
Expansion & Développement, (primé par les maires
de France) est le premier système d’éclairage public fonctionnant
à partir d’énergies renouvelables, sans aucune consommation
d’énergie fossile. Pour fonctionner, ce lampadaire fait appel à
un système essentiellement éolien de taille réduite optimisé
pour fonctionner par vent faible, très silencieux. et esthétique.
© Expansion & Développement
L’aérogénérateur est doté de 3 pales Savionus
et de 3 pales Darrieus (voir photo), qui garantissent à la fois un démarrage
par vent faible (2,5 m/s) et une forte production énergétique,
à l’échelle du produit, jusqu’à un vent d'environ
20 m/s, stade auquel l’aérogénérateur est automatiquement
arrêté pour des raisons de sécurité.
Le système éclairant utilise 42 LEDs fournissant 3 500 lumens
à 5,5 m de hauteur. Chaque LED est orientée individuellement pour
couvrir une plus grande superficie. Les LEDs ont l’avantage de consommer
peu d’énergie et d’offrir une durée de vie supérieure
à 100 000 heures (soit environ 10 ans, contre 2 ans pour des dispositifs
traditionnels).
Une autonomie de 5 ou 6 jours, lors des périodes sans vent, est assurée
par des batteries qui stockent l’énergie produite en surplus lorsqu'il
y a du vent, complétée par un module photoélectrique solidaire
du lampadaire. Le système peut résister à des vents de
200km/h mais est automatiquement arrêté en cas de vents supérieurs
à 72km/h. Son coût unitaire (6000€ actuellement) est appellé
à diminuer rapidement et l'absence de raccordement à EdF ainsi
que son coût de maintenance réduit en font un dispositif économiquement
intéressant (en plus de son intérêt environnemental bien
sûr). L'ensemble de l'électronique de contrôle associée
est aussi très innovant pour gérer un ensemble d'aérogénérateurs
sur toute une rue ou tout un quartier.
La société Expansion
& Développement envisage d'autres applications telles
l'éclairage des autoroutes et des jardins. Précisons que le premier
lampadaire autonome a été installé à Issy les Moulineaux
en décembre 2007.
Bibliographie succincte
http://www.ademe.fr/particuliers/Fiches/eolienne/
un petit résumé sur l'éolienne
http://www.suivi-eolien.com
comme son nom l'indique ce site assure le suivi de la production éolienne
française, mais il n'est pas fréquemment mis à jour
http://www.ewea.org Le site
de l'European Wind Energy Association
Si vous souhaitez en savoir plus sur l'histoire des éoliennes, les calculs
de puissance, le choix d'un site ou la rentabilité, etc. consultez le
site ultra complet en langue française http://www.thewindpower.net/
issu de l'Association danoise de l'industrie éolienne, c'est toujours
la référence actuelle.
