L'énergie éolienne : transformer le mouvement de l'air en électricité propre

L'énergie éolienne : une ressource renouvelable majeure

Le vent est une forme d'énergie solaire. Les vents sont causés par le réchauffement inégal de l'atmosphère par le soleil, les irrégularités de la surface terrestre et la rotation de la Terre. Les schémas d'écoulement du vent sont modifiés par le relief terrestre, les plans d'eau et la couverture végétale. L'énergie éolienne est l'énergie cinétique de l'air en mouvement. Cette énergie peut être récupérée. L'énergie éolienne est la conversion de cette énergie du vent en une forme utile, telle que l'énergie électrique via des éoliennes, l'énergie mécanique via des moulins à vent, le pompage ou le drainage de l'eau par des pompes éoliennes, et les voiles pour propulser les navires. L'énergie éolienne est une source d'énergie renouvelable ou non conventionnelle. C'est une source d'énergie propre et non polluante. Elle est disponible en grandes quantités dans de nombreuses régions du monde. Elle ne génère aucun gaz à effet de serre lors de la production d'électricité.

Potentiel mondial de l'énergie éolienne

La quantité totale de puissance économiquement extractible du vent est très élevée. Axel Kleidon de l'Institut Max Planck en Allemagne a effectué un calcul « descendant » sur la quantité d'énergie éolienne disponible, en partant du rayonnement solaire entrant qui alimente les vents en créant des différences de température dans l'atmosphère. Il a conclu qu'entre 18 et 68 TW (térawatts, soit mille milliards de watts) pourraient être extraits. Cristina Archer et Mark Z. Jacobson ont présenté une estimation « ascendante » basée sur des mesures réelles des vitesses du vent. Selon cette estimation, 1700 TW de puissance éolienne sont disponibles à une altitude de 100 mètres au-dessus de la terre et de la mer. Sur cette puissance disponible, entre 72 et 170 TW pourraient être extraits de manière pratique et économiquement compétitive. Ils l'ont ensuite estimé à 80 TW. Cependant, des recherches à l'université de Harvard estiment 1 W/m² en moyenne et des capacités de 2 à 10 MW/km² pour les grands parcs éoliens, suggérant que ces estimations des ressources éoliennes mondiales totales sont trop élevées d'un facteur d'environ 4.

Production d'électricité à partir de l'énergie éolienne

La production d'énergie électrique à partir de l'énergie éolienne se fait grâce aux éoliennes. Chaque éolienne est couplée à un générateur (alternateur). Pour simplifier, une éolienne est l'opposé d'un ventilateur. Au lieu d'utiliser l'électricité pour créer du vent, comme un ventilateur, les éoliennes utilisent le vent pour produire de l'électricité. Le vent fait tourner les pales, qui entraînent un arbre connecté à un générateur pour produire de l'électricité. Plusieurs éoliennes sont connectées ensemble pour obtenir la puissance souhaitée. Cet assemblage d'un grand nombre d'éoliennes est appelé un parc éolien. Un parc éolien est normalement construit là où la vitesse du vent est suffisante pour faire tourner les pales des turbines.

Puissance issue de l'énergie éolienne

L'utilisation de l'énergie éolienne pour la production d'électricité croît à un rythme très rapide. L'énergie éolienne utilise des éoliennes pour capter l'énergie de l'air en mouvement et la convertir en électricité. Le principe de production d'énergie éolienne à partir de l'énergie du vent est le suivant :

L'énergie éolienne totale traversant une surface imaginaire A pendant le temps t est donnée par l'équation suivante :

Où ρ est la densité de l'air, v est la vitesse du vent, Avt est le volume d'air passant à travers A (considéré perpendiculaire à la direction du vent), Avtρ est donc la masse m passant par unité de temps. Noter que ½ ρv² est l'énergie cinétique de l'air en mouvement par unité de volume.

La puissance est l'énergie par unité de temps, donc la puissance éolienne incidente sur A (par exemple, égale à la surface du rotor d'une éolienne) est :

De l'équation ci-dessus, on déduit ce qui suit :

• La puissance est directement proportionnelle à la densité de l'air ρ. Lorsque la densité de l'air augmente, la puissance de la turbine augmente.
• La puissance est directement proportionnelle à la surface balayée par les pales de la turbine. Si la longueur de la pale est augmentée, le rayon de la surface balayée augmente en conséquence, donc la puissance de la turbine augmente.
• La puissance éolienne varie également avec la vitesse et, dans un flux d'air libre, elle est proportionnelle au cube de la vitesse du vent (v). La puissance disponible augmente huit fois lorsque la vitesse du vent double. Les éoliennes pour l'électricité de réseau doivent donc être particulièrement efficaces à des vitesses de vent élevées.

Les éoliennes

Dans une centrale éolienne, l'éolienne utilise l'énergie cinétique présente dans le vent pour faire tourner l'organe moteur de l'alternateur (générateur) afin de produire de l'électricité. Lorsque le vent frappe suffisamment les pales de la turbine, elles tournent. Les pales sont couplées à un rotor. Ainsi, lorsque les pales bougent, le rotor bouge aussi. Dans une éolienne, le système de pas contrôle la vitesse du rotor. Le rotor est connecté à un arbre à basse vitesse. Cet arbre à basse vitesse est connecté à l'arbre à haute vitesse du générateur au moyen d'un système d'engrenages. Le système d'engrenages augmente la vitesse de rotation de l'arbre du générateur à la vitesse normale d'un générateur courant. Ce générateur à haute vitesse produit de l'électricité.

Les éoliennes comprennent également un contrôleur pour démarrer ou arrêter la machine. Normalement, les éoliennes fonctionnent dans une plage de vitesses de vent. Lorsque la vitesse du vent dépasse la limite inférieure, la turbine démarre et s'arrête automatiquement lorsque la vitesse du vent atteint la limite supérieure, également connue sous le nom de vitesse de survie. Toutes les éoliennes sont conçues pour cette vitesse de vent maximale (vitesse de survie).

Les éoliennes possèdent un anémomètre qui détermine la vitesse du vent et envoie régulièrement des informations au contrôleur sur la vitesse du vent. Le frein fonctionne en cas d'urgence pour arrêter le rotor mécaniquement, électriquement ou hydrauliquement. L'éolienne contient également une girouette, un système d'orientation (yaw drive) et un moteur d'orientation. Leurs fonctions sont de mesurer la direction du vent et d'ajuster les éoliennes face au vent lorsque la direction change.

Il existe généralement deux types d'éoliennes : les éoliennes à axe horizontal (HAWT) et les éoliennes à axe vertical (VAWT). L'axe horizontal est divisé en « upwind » (vent avant) et « downwind » (vent arrière), tandis que l'axe vertical est divisé en types à trainée et à portance.

Dans une éolienne HAWT upwind, l'arbre de la turbine et de l'alternateur sont tous deux alignés horizontalement et les pales de la turbine sont placées à l'avant de la turbine, c'est-à-dire que l'air frappe les pales avant la tour. Dans le cas d'une éolienne HAWT downwind, les arbres du rotor et du générateur sont également placés horizontalement, mais les pales de la turbine sont placées après la turbine, c'est-à-dire que le vent frappe la tour avant les pales.

Si l'on observe une éolienne VAWT à trainée, l'arbre du générateur est situé verticalement avec les pales positionnées vers le haut et les turbines sont normalement montées au sol ou sur une petite tour. Dans le cas d'une éolienne VAWT à portance, l'arbre du générateur est placé verticalement avec les pales vers le haut. La plupart des grandes éoliennes modernes sont des éoliennes à axe horizontal en raison de leur haute efficacité. Puisque les pales se déplacent toujours perpendiculairement au vent et reçoivent de l'énergie pendant toute la rotation. La turbine possède les composants principaux suivants :

• Pale ou rotor qui convertit l'énergie du vent en énergie de rotation de l'arbre
• Entraînement comprenant une boîte de vitesses et un générateur
• Tour qui supporte le rotor et l'entraînement
• Équipements d'équilibrage incluant les contrôles, les câbles électriques, les équipements de support au sol et les équipements d'interconnexion.

Les composants d'une éolienne sont montrés dans la Fig 1

Fig 1 Composants d'une éolienne

Parcs éoliens

Un parc éolien est un groupe d'éoliennes au même endroit utilisé pour la production d'électricité. Un grand parc éolien peut se composer de plusieurs centaines d'éoliennes individuelles réparties sur une zone étendue, mais le terrain entre les éoliennes peut être utilisé pour l'agriculture ou d'autres usages. Un parc éolien peut également être situé en mer (offshore).

Presque toutes les grandes éoliennes ont généralement la même conception, qui consiste en une éolienne à axe horizontal avec un rotor upwind à trois pales, fixé à une nacelle au sommet d'une haute tour tubulaire. Dans un parc éolien, les éoliennes individuelles sont interconnectées par un système de collecte d'énergie à moyenne tension (environ 33 kV) et un réseau de communications. Dans un poste de transformation, cette tension moyenne est augmentée par un transformateur pour la connexion au système de transport d'électricité à haute tension.

La spécification de conception d'une éolienne est généralement basée sur une courbe de puissance et une disponibilité garantie. La plage de température de fonctionnement typique est de -20 à 40 °C. Dans les zones au climat extrême et par temps chaud, des versions adaptées sont nécessaires. Les éoliennes peuvent être conçues et validées selon les normes CEI 61400.

Aérodynamique et limite de Betz

L'aérodynamique d'une HAWT est un peu complexe. L'écoulement d'air au niveau des pales n'est pas le même que l'écoulement loin de la turbine. L'aérodynamique à la surface du rotor présente des phénomènes rarement observés dans d'autres domaines aérodynamiques. En 1919, le physicien Albert Betz a montré que pour une machine idéale d'extraction d'énergie éolienne, les lois fondamentales de conservation de la masse et de l'énergie ne permettaient de capturer que 59,3 % au maximum de l'énergie cinétique du vent. Les turbines modernes approchent cette limite de Betz et peuvent atteindre 60 % à 70 % de cette limite théorique.

Modes de fonctionnement et contrôle

Les éoliennes sont normalement conçues pour produire une puissance maximale sur une large gamme de vitesses de vent. Toutes les éoliennes sont généralement conçues pour une vitesse de vent maximale. Les éoliennes ont les trois modes de fonctionnement suivants :

• Fonctionnement en dessous de la vitesse de vent nominale
• Fonctionnement autour de la vitesse de vent nominale (généralement à la capacité nominale)
• Fonctionnement au-dessus de la vitesse de vent nominale

Si la vitesse de vent nominale est dépassée, la puissance doit être limitée. Cela se fait de différentes manières. Un système de contrôle implique trois éléments de base : des capteurs pour mesurer les variables du processus, des actionneurs pour manipuler la capture d'énergie et la charge des composants, et des algorithmes de contrôle pour coordonner les actionneurs en fonction des informations recueillies par les capteurs.

Autres aspects de l'énergie éolienne

• Puisque la vitesse du vent n'est pas constante, la production d'énergie annuelle d'un parc éolien n'est jamais aussi élevée que la somme des puissances nominatives des générateurs multipliée par le total des heures dans une année. Le rapport entre la productivité réelle en une année et ce maximum théorique est appelé facteur de charge (PLF). Les PLF typiques sont de 15 % à 40 %. Des valeurs de PLF plus élevées, dans la partie haute de la fourchette, sont atteintes sur des sites favorables et sont dues aux améliorations de conception des éoliennes.
• L'énergie éolienne souffre rarement de pannes techniques majeures, car les pannes d'éoliennes individuelles ont peu d'effet sur la puissance globale, ce qui rend l'énergie éolienne distribuée très fiable et prévisible.
• Bien que les centrales éoliennes aient relativement peu d'impact sur l'environnement par rapport aux centrales à combustibles fossiles, il existe des préoccupations concernant le bruit produit par les pales du rotor, les impacts esthétiques (visuels), et les oiseaux tués en heurtant les rotors.
• Le principal défi de l'utilisation du vent comme source d'énergie est son intermittence, car le vent ne souffle pas toujours quand l'électricité est nécessaire. Le vent ne peut pas être stocké (bien que l'électricité produite par le vent puisse l'être, si des batteries sont utilisées), et tous les vents ne peuvent pas être exploités pour répondre aux pics de demande d'électricité. De plus, les bons sites éoliens sont souvent situés dans des zones reculées, loin des zones de demande d'électricité.
• Le développement de la ressource éolienne doit rivaliser avec d'autres utilisations du sol, et ces utilisations alternatives peuvent être plus valorisées que la production d'électricité. Cependant, les éoliennes peuvent être installées sur des terrains également utilisés pour le pâturage ou même l'agriculture.