LES ENERGIES RENOUVELABLES : LES EOLIENNES


INTRODUCTION

CH. 1 : UN POTENTIEL ENERGETIQUE A PORTÉ DE MAIN
1.1. Une énergie peut en cacher une autre…
1.2. Le potentiel à l’échelle planétaire : les gisements de vents

CH.2 LES QUESTIONS TECHNIQUES
2.1. La composition d’un aérogénérateur


INTRODUCTION

Les populations ont su domestiquer le vent et son énergie cinétique pour effectuer des travaux lourds ou répétitifs, tels que le pompage de l’eau ou la transformation du grain en farine. Ils ont très tôt transformé à l’aide de technique d’engrenages l’énergie transmise aux pâles du moulin ou de l’éolienne en énergie mécanique.

Aujourd’hui, les technologies nous permettent de passer de l'énergie mécanique à l'électricité. Les éoliennes deviennent des aérogénérateurs.

Les travaux de recherche sur l'énergie éolienne ont débuté significativement après les chocs pétroliers de 1973-74 et de 1979-80. Les pays importateurs de pétrole ont développé des programmes de recherche d'énergies alternatives. Mais l'énergie éolienne n'a pas convaincu, les gouvernements lui préférant l'énergie nucléaire, plus rentable et plus prestigieuse. Les questions environnementales ne faisaient pas parti des préoccupations. Le prix du baril redevenu plus attractif, les pays où la pression antinucléaire fit stopper les programmes de développement des centrales nucléaires, investirent à nouveau sur les énergies fossiles.

La conférence de Kyoto de 1997 vient jouer les troubles fête. L'effet de serre accapare le devant de la scène. Les pays signataires s'engagent à réduire les émissions de gaz à effet de serre de 5% par rapport au niveau de l’année 1990, d’ici à 2010. Le principal accusé d’être la cause du réchauffement climatique est le dioxyde de carbone, le CO2. D’où provient-il ? Des pays industrialisés qui produisent leur énergie à partir des combustibles fossiles, tel le charbon, le pétrole ou le gaz naturel. L’équation est simple, il faut trouver l’énergie ailleurs. Les programmes de recherche sur l’énergie éolienne reprennent…

 

CH. 1 : UN POTENTIEL ENERGETIQUE A PORTÉ DE MAIN

 

1.1. Une énergie peut en cacher une autre…

Le vent est un déplacement de masse d’air entre des zones de l’atmosphère de températures différentes. Son énergie provient donc indirectement du Soleil, qui réchauffe inégalement la surface de la planète. L’équateur est le plus gâté par le rayonnement solaire, l’atmosphère que le surplombe est plus dense et s’élève vers les couches supérieures. Les masses d’air se déplacent vers les pôles, plus froids, dont la pression atmosphérique est moins forte. La rotation de la Terre vient toutefois compliquer ce schéma. Elle crée une force appelée force de Coriolis, qui perturbe les courants d’air de l’équateur vers les latitudes plus hautes. Sous son influence, les vents adoptent une rotation dans le sens anti-horlogique autour des dépressions dans l’hémisphère Nord, et horlogique autour des dépressions dans l’hémisphère sud.

A une échelle plus petite, la basse atmosphère est soumise à des courants d’air qui n’obéissent pas aux même règles. L’impact du relief est à prendre en compte. Les circulations sont plus complexes et ne s’inscrivent pas dans de grands schémas généraux. C’est l’énergie cinétique (due à la vitesse) de ces vents de surface qui est utilisée pour la production d’électricité.

1.2. Le potentiel à l’échelle planétaire : les gisements de vents

L’estimation du potentiel éolien à grande échelle est en travail délicat et sujet à controverse. Selon les hypothèses de départ les résultats divergent. Nous retenons le travail de Grubb et Meyer (1993) qui avance le chiffre de 53 000 TWh par an ( 1 TWh = 1000 GWh = 106 MWh = 109 kWh). Cette évaluation exclue des surfaces de terrains où l’énergie n’est pas récupérable, comme les zones de montagne, les régions à forte densité de population, les mers et océans. Sur ce dernier point, la tendance actuelle est de ne pas exclure les gisements off-shores car ils apparaissent aujourd’hui comme l’Eldorado de l’énergie éolienne. Nous abordons ce point ultérieurement.

La répartition du potentiel n’est pas uniforme, l’Amérique du Nord arrive en tête dans le classement de l’importance des ressources. Elle est suivie par l’Afrique, l’Europe de l’Est et L’URSS.

Les données trop généralistes ne semblent pas adaptées pour décrire la ressource de chaque pays. D’autres facteurs plus spécifiques au site entrent en jeu.

La puissance récupérable du vent dépend de sa vitesse. La relation n’est pas linéaire : la puissance augmente avec le cube de la vitesse. Il est nécessaire de connaître la vitesse moyenne sur un site mais également les valeurs extrêmes. Des sites caractérisés par une même vitesse moyenne ont une puissance potentielle différente.

La topographie du site influence la quantité de puissance récupérable. Les turbulences dues à la présence de buisson, de collines, de forêts entament le potentiel.

La reprise des programmes de recherche pour l’amélioration des technologies a relancé la réflexion sur la prospection des sites d’implantation. Un Les études d’évaluation se basent sur des critères plus locaux, comme ceux énoncés plus haut. Ces dernières données sont intéressantes dans le cadre des engagements de Kyoto car les pays qui rejettent le plus de gaz à effet de serre possèdent des gisements exploitables non négligeables. C’est le cas pour les Etats-Unis, l’Europe du Nord (Danemark, Angleterre, Pays Bas, Irlande, Allemagne).

 

CH.2 LES QUESTIONS TECHNIQUES

 

2.1. La composition d’un aérogénérateur

Depuis 5 à 10 ans, les éoliennes ou aérogénérateurs ont bénéficié d’une multitude d’amélioration sur le plan technique. Les moulins du 19éme siècle sont bien loin…

Il existe plusieurs axe d’étude pour la conception des capteurs capables de convertir l’énergie cinétique du vent en énergie mécanique récupérable pour la production d’électricité. Certaines équipes se concentrent sur des capteurs statiques dont le récepteur est immobile. Le courant électrique provient d’une différence de potentiel entre deux électrodes soumises à la force du vent. Le système de tuyère est également exploré, le passage du vent crée une dépression qui entraîne la montée du niveau d’eau d’un réservoir. L’énergie mécanique est ensuite convertie en électricité.

Les axes de recherche les plus répandus reposent sur des capteurs dynamiques. Les capteurs dynamiques sont beaucoup plus connus et bénéficient de larges programmes de recherche. Leur conception s’articule autour des éléments suivants :

- le rotor, qui comprend les pâles et le moyeu.

Sa fonction est de convertir l’énergie cinétique du vent en énergie mécanique. Le nombre de pâles est variable, les aérogénérateurs à trois pâles sont les plus répandus. Le rendement du système dépend très peu de leur nombre, le compromis entre l’investissement en matériau et le rendement n’est pas le plus difficile à ce stade. Les pâles sont accrochées sur le moyeu à l’aide de brides. Sur le rotor sont disposés la protection anti-foudre et le dispositif de freinage, primordial en cas de vents extrêmes.

De l’envergure du rotor dépend la puissance fournie par l’aérogénérateur. Le compromis entre rendement et prix de revient est plus délicat pour cette question. Il dépendra de l’utilisation de l’éolienne : production d’électricité pour un réseau ou pour un particulier.

- le multiplicateur.

Son nom est des plus explicite : le multiplicateur augmente la puissance issue de la rotation du rotor par un système complexe d’engrenages. Dans les aérogénérateurs les plus courants, le multiplicateur s’intercale entre l’arbre primaire et l’arbre secondaire su dispositif de transmission mécanique.

 

- Le dispositif de transmission mécanique.

Il comporte un arbre primaire, ou arbre basse vitesse, qui transmet la puissance issue de la rotation du rotor au multiplicateur. L’arbre secondaire, ou arbre à grande vitesse, transmet la puissance multipliée à la génératrice.

A ce stade du système, l’énergie cinétique a été convertie en énergie mécanique et transmise à la génératrice.

- la génératrice.

Sa fonction est de convertir l’énergie mécanique en électricité. Elle constitue le cœur de l’aérogénérateur. Elle se compose de deux parties : le stator, immobile et le rotor (à ne pas confondre avec le rotor qui porte les pâles). Pour comprendre le principe de la conversion en courant électrique, il faut se souvenir de nos travaux pratiques de physique et de la bobine de cuivre parcourue par un courant électrique. Le champ magnétique créé par la bobine fait tourner un moteur. Le principe est ici inversé. Le rotor (le moteur des travaux pratiques) est couplé à l’arbre secondaire en rotation. Son mouvement crée le champ magnétique au niveau du stator. Le courant électrique prend naissance.

- Les constituants annexes.

L’ensemble du dispositif énoncé plus haut est supporté par la nacelle. Un moteur d’orientation permet de placer le rotor face au vent, afin que les pâles puissent être dans une position optimale. Enfin, le mât complète le dispositif en amenant la nacelle à une hauteur suffisante pour recevoir le maximum de courant d’air. La hauteur adéquate varie selon les sites. Les études cas par cas sont primordiales dans l’installation des aérogénérateurs pour réduire le coût du mât au maximum.

Tous les éléments de l’aérogénérateur sont présentés dans le schéma 1.

•••Hélène CASAUX

© 2000 Health Technologies