Cours en ligne et simulateur de thermodynamique appliquée

Énergie éolienne

Introduction

L'énergie éolienne et l'énergie hydraulique sont des énergies solaires indirectes en ce sens qu'elles sont générées par les mouvements des masses d'air et d'eau résultant du réchauffement cyclique de la terre par le soleil.

L'énergie éolienne correspond à l'énergie cinétique des masses d'air se déplaçant entre des zones à pressions différentes. L'énergie du vent a ainsi été captée depuis l'antiquité, soit dans des éoliennes à axe horizontal (moulins) ou vertical, soit pour la propulsion des navires à voile.

Eoliennes en fonctionnement

Filière éolienne

A la différence du pétrole, du gaz naturel ou du nucléaire, la notion de filière est peu utilisée pour l'énergie éolienne dans son ensemble, bien qu'on puisse aussi y faire référence, ou bien elle est utilisée pour désigner la filière industrielle de fabrication des éoliennes elles-mêmes.

La première étape de la mise en exploitation de l'énergie éolienne est ici aussi l'identification de la ressource, l'estimation de ce que l'on appelle le potentiel éolien, qui résulte d'une part d'études orographiques et d'autre part d'une cartographie des données climatologiques, permettant de connaître la quantité d'énergie éolienne disponible sur un territoire (terrestre ou marin) donné.

Il est lié à la force et à surtout à la régularité des vents qui ne doivent être ni trop forts, ni trop faibles, et varie en fonction de la rugosité du lieu d'implantation qui génère des turbulences plus ou moins fortes.

L'étape de production consiste à réaliser tous les travaux de génie civil nécessaires à l'installation des éoliennes et à les exploiter.

Si l'électricité produite n'est pas consommée sur place, elle doit être transportée, ce qui se fait en utilisant le réseau électrique.

Elle peut aussi quelquefois être stockée, généralement dans des batteries, mais cette solution est limitée aux petites installations, l'électricité étant très difficile et très coûteuse à stocker.

Types d'éoliennes

Il existe deux grands types d'éoliennes : les éoliennes à axe horizontal, les plus répandues, et les éoliennes à axe vertical.

Éoliennes à axe horizontal

Les éoliennes à axe horizontal sont aujourd'hui les plus répandues. Elles sont constituées de trois éléments :

  • un mât ;

  • une nacelle ;

  • un rotor

Le mât, qui peut être en béton ou en acier, permet de placer la nacelle et le rotor à une hauteur élevée, ce qui permet de réduire les effets dus à la rugosité du terrain et de bénéficier d'une vitesse de vent plus grande et plus régulière.

La nacelle, placée au dessus du mât, est orientable et héberge une partie des composants électrotechniques de la machine.

Le rotor, composé généralement de trois pales, assure la conversion de l'énergie cinétique du vent en énergie mécanisme de rotation, qui est ensuite transmise au générateur électrique ou à la pompe s'il s'agit d'une machine de pompage de l'eau.

La figure ci-dessous, qui montre le rotor et la nacelle d'une éolienne ALSTOM ECO 100 de 3 MW, donne une idée de la taille des machines actuelles.

Techniciens travaillant sur une nacelle d'éolienne ALSTOM ECO 100 de 3 MW (Dennis Schroeder / NREL)

La photo ci-dessous montre l'installation d'une éolienne Siemens de 2,3 MW en mer Baltique. Le mât et la nacelle sont à poste, et les trois pales du rotor sont encore à bord de la barge.

Mise en place en mer Baltique d'une éolienne Siemens de 2,3 MW (Walt Musial / NREL)

Éoliennes à axe vertical

Leur principal avantage, en milieu urbain notamment, est qu'elles captent le vent dans toutes les directions, alors que les éoliennes à axe horizontal doivent toujours se placer face au vent pour fonctionner.

Les deux technologies les plus connues sont les éoliennes Darrieus et Savonius, des noms de leurs inventeurs.

L'éolienne Savonius est constituée de deux demi-cylindres verticaux placés de telle sorte que leur coupe forme une sorte de S centré sur s'axe. Très silencieuse, cette éolienne s'intègre bien en milieu urbain comme le montre cette figure.

Eolienne Savonius (Par Toshihiro Oimatsu (Flickr) [CC BY 2.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/2.0)], via Wikimedia Commons)

L'éolienne Darrieus est actionnée par les forces de portances produites par un ensemble de profils d'aile en forme de batteur à œufs, comme le montre la figure ci-dessous.

Eolienne Darrieus (Par W.Wacker (Travail personnel) [CC BY-SA 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], via Wikimedia Commons)

Applications

Les usages des éoliennes sont multiples, avec, par ordre de puissance installée croissante :

  • la signalisation maritime (30 W à 5 kW) ;

  • les télécommunications (60 W à 5 kW) ;

  • la recharge de batteries dans les pays en développement ;

  • le dessalement et le pompage de l'eau (1 à 5 kW) ;

  • l'usage domestique (quelques kW) ;

  • la production d'électricité dans des fermes éoliennes de puissance de plus en plus importante (jusqu'à 200 MW environ), raccordées au réseau, et débitant dès lors qu'il y a du vent. Plus de 20 000 machines ont été installées dans le monde, pour une capacité proche de 100 GW, dont plus de 25 % aux États-Unis et 65 % en Europe.

Depuis l'an 2000, la capacité installée mondiale en l'énergie éolienne a crû de 30 à 40 % par an, atteignant près de 120 GW en 2008, pour une production électrique estimée à 260 TWh.

Ferme éolienne

Les machines les plus performantes ont une puissance nominale de quelques MW.

Capacité et production mondiale d'électricité éolienne

Ces cartes interactives vous fournissent des informations récentes et détaillées sur les capacités installées et les productions dans le monde.

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