Axe horizontal
Une éolienne à
axe horizontal est une hélice perpendiculaire au vent, montée sur un
mât. La hauteur est généralement de 20 m pour les petites éoliennes, et
supérieure au double de la longueur d'une pale pour les modèles de grande envergure.
Aujourd'hui les plus grandes éoliennes mesurent jusqu'à 180 m en bout de
pale avec un moyeu à 120 m pour une puissance de 6 MW.
Nordex 5M Multibrid M5000 Enercon E112 5M Repower
Fonctionnement
Une éolienne permet de transformer l'énergie cinétique du vent en énergie électrique.
Comment
ça marche ?
Sous l'effet du vent, le rotor tourne. Dans la nacelle, l'arbre principal
entraîne un alternateur qui produit l'électricité. La vitesse de rotation du
rotor (de 12 à 15 tours/minute) doit être augmentée par un multiplicateur
de vitesse jusqu'à environ 1 500 tours/minute, vitesse nécessaire au
bon fonctionnement de l'alternateur. Des convertisseurs électroniques de
puissance ajustent la fréquence du courant produit par l'éolienne à celle du
réseau électrique auquel elle est raccordée (50 Hz en Europe), tout en
permettant au rotor de l'éolienne de tourner à vitesse variable en fonction du
vent. La tension de l'électricité produite par l'alternateur, de l'ordre de 600
à 1 000 volts, est ensuite élevée à travers un transformateur de
puissance, situé dans la nacelle ou à l'intérieur du mât, jusqu'à un niveau de
20 000 ou 30 000 volts. Ce niveau de tension permet de véhiculer
l'électricité produite par chacune des éoliennes d'une centrale éolienne 22422e415w
jusqu'au point de raccordement au réseau électrique public (en France, le
réseau EDF). La tension de l'électricité produite par la centrale peut alors
être de nouveau transformée, en fonction du niveau de tension de raccordement
de la centrale au réseau public. Pour les centrales éoliennes de 10-15 MW
de capacité, le niveau de tension de raccordement est, en France, généralement
de 20 000 volts. Pour les centrales de capacité plus importante, le
niveau de tension de raccordement peut aller de 60 000 à
90 000 volts, voire même 225 000 volts.
Pour pouvoir démarrer, une éolienne a besoin d'une vitesse de vent minimale, de l'ordre de 10-15 km/h. Et au-delà de 90 km/h, les turbines s'arrêtent de tourner. Pourquoi les éoliennes s'arrêtent-elles par vent fort ? Ceci correspond au choix des ingénieurs qui conçoivent les éoliennes. Tout d'abord, la fréquence d'occurrence des vents d'une vitesse supérieure à 90 km/h est généralement faible (inférieure à 1 %), et si les éoliennes fonctionnaient dans ces conditions, elles subiraient des efforts importants qui entraîneraient une usure prématurée de leurs équipements. Compte tenu du faible gain relatif sur la production que représente un fonctionnement par vent fort, les ingénieurs préfèrent, dans ces conditions, stopper les machines et attendre le retour de vents plus modérés et plus réguliers. Si les éoliennes ne fonctionnent pas au-delà d'une vitesse de vent de 90 km/h, leurs fondations n'en sont pas moins conçues pour résister à des vents beaucoup plus importants. La puissance d'une éolienne classique est de 1 à 1,5 MW, mais les éoliennes de la nouvelle génération atteignent 2 à 3 MW et des modèles de 5 MW sont d'ores et déjà testés par les constructeurs
Le stockage
A grande échelle un des meilleurs moyens de stocker l'électricité est l'énergie hydroélectrique. Les STEP (stations de transfert d'énergie par pompage) sont constituées d'un bassin inférieur et d'un bassin supérieur (naturels ou artificiels), qui permettent de stocker de l'énergie (par exemple de l'électricité éolienne ou nucléaire) lors des périodes de basse consommation en pompant du bassin inférieur vers le bassin supérieur, et de la restituer lors des périodes de forte demande en faisant transiter par un turbine l'eau du bassin supérieur vers la bassin inférieur. Les STEP présentent l'intérêt de pouvoir stocker de très grandes quantités d'énergie (jusqu'à plusieurs centaines de GWh, soit l'équivalent de plusieurs centaines d'heures de fonctionnement d'un réacteur nucléaire), avec un excellent rendement (80 à 85%), et de se mettre en marche très rapidement (en quelques minutes). En France la plus grande STEP est le barrage de Grand'Maison, avec une puissance maximale de 1800 MW (équivalente à 2 réacteurs nucléaires).
Une piste est l'électrolyse de l'eau et la production d'hydrogène, qui peut être stocké avant d'être reconverti en énergie selon les besoins au moyen d'une pile à combustible, produisant de l'électricité et de la chaleur. Le rendement global de ce cycle de production d'énergie est encore trop faible à l'heure actuelle pour rendre intéressant le stockage d'énergie par l'hydrogène. Les technologies liées à l'hydrogène nécessitent des progrès, principalement de coût de fabrication et de maintenance, avant de pouvoir passer à un stade industriel. Les premières piles à combustible raccordées sur des réseaux de distribution électrique ont été mises en service dans les années 1990
Aux Etats Unis, une entreprise conçoit de nouvelles éoliennes qui produisent de l'air comprimé au lieu de l'électricité. Dans la nacelle des éoliennes au lieu d'un alternateur se trouve donc un compresseur d'air. L'air comprimé est stocké et permet de faire tourner un alternateur aux moments où les besoins se font le plus sentir. Le stockage permet de ne plus injecter en direct l'électricité sur le réseau au fil du vent. Du point de vue du stockage de l'énergie, cette façon de faire permet également d'économiser 1 conversion d'énergie. Avec le stockage sous forme d'hydrogène par exemple , il y a 2 conversions : électricité en hydrogène , puis hydrogène en électricité. Ici , il n'y en a qu'une : air comprimé en électricité. D'où une économie sur les pertes de conversion due au stockage / déstockage. Même si cette seule conversion entraîne encore des pertes, elles sont compensées par un prix de vente plus intéressant de l'électricité que l'on peut produire lors des fortes demandes, là où les prix sont nettement supérieurs. La production de l'électricité éolienne au seuls moments des pointes de consommation pourrait également permettre de ne plus surdimensionner les capacités de production électriques actuellement destinées à pouvoir passer en sécurité les maximums de consommation. Certains pensent même que l'on pourrait utiliser directement l'air comprimé ainsi produit pour alimenter des voitures automobiles propulsée avec ce fluide.
L'éolien offshore
L'installation de fermes éoliennes offshore est l'une des voies de développement de l'éolien, car elle s'affranchit en grande partie du problème des nuisances esthétiques et de voisinage, d'autre part le vent est beaucoup plus fort et constant qu'à terre. Cette solution permet le développement technique progressif d'éoliennes de très grande puissance.
Ainsi , la production d'électricité éolienne en mer est plus importante qu'à terre à puissance équivalente. On donne couramment comme moyenne 2 500 MWh par MW installé en mer au lieu de 2 000 MWh par MW installé à terre. Dans les zones maritimes géographiquement très favorables à l'éolien, les estimations des études indiquent le potentiel de cas extrèmes de 3 800 MWh par MW installé.
Diverses solutions sont envisagées pour diminuer le coût du kWh produit. Parmi les solutions étudiées, on peut noter :
la construction d'éoliennes de plus grande puissance, produisant de 5 à 10 MW par unité ;
la mise au point de systèmes flottants, ancrés, permettant de s'affranchir des coûts des fondations de pylones à grande profondeur.
Les projets des futures éoliennes offshore, à l'horizon 2010, visent une puissance de 10 MW unitaire, avec un diamètre de pales de 160 mètres.
Une option permettant de réduire le coût d'investissement au kW installé pourrait être à terme de coupler sur le même pylone une éolienne offshore et une ou plusieurs hydroliennes
En France, la Compagnie du vent a annoncé en novembre 2006 son projet de parc des Deux Côtes, un ensemble de 156 éoliennes totalisant 702 MW, à 14 km au large de la Seine-Maritime et de la Picardie. En Angleterre, le consortium London Array a un projet à 20 km de l'embouchure de la Tamise, qui représenterait 271 turbines pour une puissance allant jusqu'à 1 000 MW . Avec le projet additionnel de Thanet, c'est maintenant 1800 MW qui devraient être installés dans l'estuaire de la Tamise . Le projet Britannique de Triston Knol fera quant à lui 1 200 MW.
Un concept encore plus innovant est développé par la compagnie norvégienne Norsk Hydro (spécialisée dans l'exploitation pétrolière et gazière offshore) : il consiste à créer des champs d'éoliennes flottantes, par 200 à 700 m de fond. Le principe est d'utiliser un caisson flottant en béton (ancré au fond au moyen de câbles) pour soutenir l'éolienne. Ce projet révolutionnerait l'éolien offshore, car il permettrait de ne plus se soucier de la profondeur, et donc d'installer des champs géants (jusqu'à 1 GW de puissance installée) loin des côtes. Cela permettrait par ailleurs de réduire le prix des champs éoliens offshore, en évitant la construction de coûteuses fondations sous-marines.
Le vent est gratuit, inépuisable, et produit de l'énergie sans dégager ni chaleur, ni gaz nuisible à la couche d'ozone
Au niveau mondial, le vent pourrait satisfaire au moins 20% des besoins énergétiques.
Solution écologique et économique au problème de la production d'électricité, l'énergie éolienne est en rapide développement. Portrait d'un secteur qui vend de plus en plus de vent.
C'est une source d'énergie renouvelable et inépuisable, non polluante et avec un faible impact sur l'environnement. Elle a également les avantages suivants :
Création
d'emploi
L'entretien d'un parc éolien crée un seul emploi, mais l'étude, la fabrication,
le montage et la maintenance d'un projet éolien génère plusieurs dizaines
d'emplois. Le secteur est en expansion en France, il y a là une source de
nouveaux emplois non négligeables.
Attrait
touristique
C'était au départ une conséquence qui n'avait pas été envisagée. Les touristes
viennent parfois de loin pour observer et s'informer sur les éoliennes. Les
retombées financières sur la région ne sont pas négligeables (hôtellerie,
restauration).
Taxes
Un autre avantage pour la région, les taxes professionnelles et foncières
payées par les exploitants du parc éolien.
Environnement
Une éolienne ne produit aucun rejet nocif pour la santé et l'environnement, ni
pour les riverains, ni pour les générations futures. Elle permet surtout de
créer de l'électricité totalement propre.
Le principal
inconvénient est le coût élevé d'un projet éolien (de l'étude à
l'exploitation).
Toutefois, cet aspect pourrait s'améliorer avec les économies d'échelle
réalisées si l'éolien se développait un peu plus en France.
Autre inconvénient, l'éolienne en fin de vie est démantelée et ne laisse aucune
trace dans le paysage, sauf le socle en béton destiné à la stabiliser. Ce bloc
est difficile à extraire de la terre, il reste donc enfoui à l'emplacement de
l'éolienne.
Comparée à d'autres sources d'énergie, elles aussi très coûteuses et beaucoup plus polluantes, l'éolien a de quoi séduire.
Formule de Betz
La puissance récupérable est inférieure, puisque l'air doit conserver une énergie cinétique résiduelle pour qu'il subsiste un écoulement. Albert Betz a démontré que la puissance maximale récupérable est :
Le rendement
maximal théorique d'une éolienne est ainsi fixé à 
, soit environ 59,3 %. Ce chiffre ne
prend pas en compte les pertes d'énergie occasionnées lors de la conversion de
l'énergie mécanique du vent en énergie électrique.
L'énergie produite par une éolienne dépend de sa vitesse, de la régularité de rotation et de la surface de ses pales.
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