TOUT
CE QUE VOUS VOULIEZ SAVOIR SUR
L'ÉNERGIE EOLIENNE
LES EOLIENNES, COMMENT CA MARCHE ?
TOUT
CE QUE VOUS VOULIEZ SAVOIR SUR
La réalisation
de toute installation, qu'il s'agisse d'une centrale éolienne ou
d'une petite éolienne de camping, doit tenir compte de la ressource
en vent. Pour cela il est indispensable, soit d'effectuer des mesures au
préalable, soit de rechercher des données sur un site proche
ou équivalent. Cet aspect est d'autant plus important en Franche-Comté
que la ressource en vent est très faible et les sites adaptés
peu nombreux. Pour la plupart des sites équipés, une année
de mesure a été réalisée afin de bien dimensionner
l'éolienne.
En rentrant dans
des considérations plus techniques, la puissance d'une éolienne
est proportionnelle à la surface balayée par les pales et
au cube de la vitesse. La masse volumique de l'air intervient également
dans le calcul. Par la suite, le rendement aérodynamique dépend
essentiellement de la vitesse périphérique de rotation des
pales ramenée à la vitesse du vent et est toujours inférieur
à la limite de Betz (16/27). Ce rendement est par contre amélioré
par les caractéristiques aérodynamiques des pales, qui sont
meilleures pour des vents faibles et des dimensions de pales élevées.
Les éoliennes les plus répandues sont les hélices
de type rapide (bi- ou tripale) à axe horizontal ou vertical (Darrieus)
couplées à une nacelle comportant la démultiplication
et la génératrice. Ce système d'un poids élevé
doit être orienté face au vent ou sous le vent. Ces éoliennes
sont plus faciles à optimiser que les autres types d'éoliennes
(Savonius, multipales...) et correspondent mieux aux besoins actuels de
production d'électricité. La régulation de la vitesse
de rotation de la machine s'effectue par un réglage du calage des
pales : système mécanique centrifuge ou à servomoteur.
Parmi ces éoliennes deux
configurations sont possibles
l'éolienne arrière
Ne nécessite
pas de gouvernail apparent et qui prend le vent de face. C'est un système
de girouette qui détermine la direction du vent puis commande l'orientation
de la nacelle donc de l'hélice face au vent. Elle est utilisée
pour des puissances supérieures à 15 kW. L'autre configuration
est l'éolienne à hélice avant, qui nécessite
un système d'orientation.
La génératrice
entraînée par le rotor peut être de plusieurs types
suivant la puissance recherchée et le type de couplage. Pour des
raisons de facilité de transport, de transformation et de rendement,
l'électricité est utilisée en courant alternatif.
Seules des installations de petites puissances (< 1 kW) peuvent nécessiter
l'utilisation d'une génératrice à courant continu.
Pour un couplage au réseau, on peut utiliser un alternateur (génératrice
synchrone) ou une génératrice asynchrone.
L'alternateur
est caractérisé par son nombre de pôles, qui détermine
sa vitesse de rotation pour obtenir la fréquence du réseau.
La régulation de la vitesse du rotor pour obtenir la vitesse de
synchronisme est obtenue par le réglage des pales. L'alternateur
nécessite un courant d'excitation (courant continu) produit par
une dynamo ou un redresseur à diodes. Certains rotors constitués
d'un aimant permanent ne nécessitent pas d'excitation. L'alternateur
peut donc fonctionner seul sur un petit réseau autonome ou être
couplé au réseau.
Dans le cas de
la génératrice asynchrone, la vitesse de rotation du générateur
est fixée par la fréquence du courant du réseau. Après
le démarrage, lorsque le rotor tourne à une vitesse suffisante
(vitesse de synchronisme), la génératrice est excitée
et produit de l'électricité sur le réseau. Si la vitesse
du rotor est inférieure à la vitesse de synchronisme, la
génératrice est découplée du réseau,
sinon elle deviendrait alors consommatrice d'électricité
à la manière d'un moteur. Si cette vitesse est supérieure,
la machine fournit alors du courant au réseau, Si la vitesse de
rotation augmente trop, l'orientation des pales est modifiée et
ramène le rotor vers la vitesse de synchronisme. Contrairement à
l'alternateur, la génératrice asynchrone ne peut pas produire
d'énergie de manière autonome. Elle doit obligatoirement
être couplée au réseau (ou à un alternateur
suffisamment puissant) qui impose sa fréquence et l'alimente en
courant alternatif. La génératrice asynchrone, à l'inverse
de l'alternateur, ne produit pas la puissance réactive qu'il consomme
(qui implique des pénalités de tarif), ce qui nécessite
l'adjonction de condensateurs. Pour des installations de grande taille,
il est donc préférable de choisir un alternateur pour éviter
cet investissement supplémentaire.
Très en recul par rapport à ses voisins, la France commence seulement à vouloir rattraper son retard. En Angleterre ou en Allemagne, le vent fournit déjà près de 10% des besoins électriques. La plus grosse centrale européenne se trouve en Navarre (Espagne) et produit 36 mégawatts. L'énergie éolienne produite actuellement en France représente moins de 0,01% de la consommation nationale d'électricité (soit 98 millions de tonnes équivalent pétrole) contre 73% pour le nucléaire, 16% pour l'hydroélectricitè et 11% pour les centrales thermiques classiques. Les principaux sites se trouvent à Port-la-Nouvelle (11) et à Dunkerque (50). L'une produit 2,2 mégawatts et l'autre 2,7.
Malgré ce retard dans le développement de l'énergie éolienne, la France possède le deuxième gisement européen après la Grande-Bretagne. La carte de France ci-dessus nous montre que les sites les plus favorables sont au bord de la Méditérranée là où soufflent le mistral et la tramontane, ainsi que sur les côtes bretonnes et le long de la Manche. Pour commencer à rattraper ce retard, un appel d'offres national Eole 2005 a été lancé par EDF avec la coopération de l'ADEME, le Secrétariat d'Etat à l'industrie et les ministères de l'Environnement et de la Recherche, pour la réalisation de centrales éoliennes. Pour l'instant, une quinzaine de projets a été retenue principalement dans le sud de la France. La première tranche du projet prévoit ainsi une puissance installée de 77 MW. Cette tranche comprend également des réalisations en Guadeloupe. Le programme concerne des projets dont la puissance installée sur le site (qui peut comprendre plusieurs éoliennes) varie de 1,5 à 8 mégawatts. EDF s'engage ensuite à racheter l'électricité produite puis de la distribuer au titre de la concession. Cette première vague de projets a permis de mettre en lumière les aspects à affronter et à traiter: évolution des Plans d'Occupation des Sols, obtention des permis de construire, ...
La centrale éolienne du
Mont-Crosin:
Mise en service
en 1997 sur les hauteurs du Jura bernois, cette centrale constituera sans
doute une référence pour le développement de l'énergie
éolienne dans nos contrées si faiblement ventées.
L'intérêt de ce projet réside autant dans les choix
techniques, que dans le contexte politique et économique dans lequel
il s'inscrit : de taille équivalente à celles installées
dans des régions côtières plus tourmentées,
cette centrale trouve sa raison d'être à travers la prise
en compte globale de l'intérêt des énergies renouvelables,
par des conditions de vente d'électricité cohérentes
et responsables.
La construction
de cette centrale reliée au réseau de distribution d'électricité
répond à plusieurs objectifs : la fourniture d'élec-tricité
d'origine éolienne, à un prix permettant de couvrir les frais
d'investissement et d'exploitation, pour des clients prêts à
payer un prix de l'électricité plus élevé.
Les responsables (BKW FMB Energie AG) envisagent même d'agrandir
la centrale si la demande en électricité est suffisante.
Cette première réalisation suisse produit 1,8 millions de
kilowattheures par an, à partir de trois éoliennes de puissance
maximale de 600 kilowatts chacune. La société Juvent qui
exploite le site, entend ainsi acquérir de l'expérience dans
les domaines techniques, économiques et écologiques sous
les conditions climatiques jurassiennes. L'électricité produite
correspond aux besoins annuels de 600 ménages. A quelques kilomètres
de cette centrale, il est également possible de se rendre par un
petit sentier éducatif à la centrale solaire du Mont-Soleil,
qui fait également figure de référence pour la production
d'électricité par panneaux photovoltaïques (500 kW reliés
au réseau pour une production annuelle de 600 000 kilowattheures).
Les caractéristiques
de ces éoliennes sont à la mesure de la puissance électrique
qu'elles délivrent:100 mètres3 de fondations en béton,
une nacelle et un rotor de 20 et 8 tonnes perchés sur un mat de
42 mètres pour un poids total de 60 tonnes. Le rotor tripale de
44 mètres de diamètre tourne à vitesse constante (28
tours/minute) et entraîne la génératrice par l'intermédiaire
d'un multiplicateur. Le rendement de l'installation est estimé à
35% et son domaine de fonctionnement varie pour des vents de 4 à
25 mètres par seconde. Ce matériel d'origine danoise (Vestas)
qui profite des derniers perfectionnements techniques, représente
un investissement de l'ordre de 16 millions de francs français.
Contact et visite
Mont-Crosin : Juvent SA, c/o BKW FMB Energie AG, CH-3000 Bem 25
La plus grande des petites éoliennes
de Franche-Comté:
Des pales de
rotor qui tournent au fil du vent dans un paysage de pâtures et de
forêts d'épicéas n'est pas encore très... courant
(!) en pays comtois. Cela devient d'autant plus rare quand il ne s'agit
pas d'une éolienne de pompage, utilisée pour abreuver nos
populations à cornes, mais d'une machine capable de fournir de l'électricité.
Un passionné d'éoliennes a ainsi conçu une petite
installation à partir de matériel d'occasion, pour produire
l'eau chaude sanitaire et le chauffage de son habitation. Cette machine
d'une puissance de 10 kilowatts fonctionne pour des vents variant de 4
à 10 mètres par seconde. Le rotr tripale de 7,4 mètres
de diamètre (280 kg) est couplé à un alternateur.
La régulation de l'orientation des pales (angle variant de 5 à
20 degrés) est possible grâce à un système de
glissière en pas de vis contrôlé par un ressort de
rappel. Cette régulation est nécessaire pour obtenir la vitesse
de synchronisme de l'alternateur (1 500 tr/min) en fonction de la vitesse
du vent. La nacelle (500 kg) est montée à 15 mètres
de haut (remarque: un permis de construire est nécessaire pour une
construction de plus de 12 mètres). La production d'électricité
est par contre très irrégulière: de 13 à 550
kilowattheures par mois pour une production annuelle de 1 530 kilowattheures
(en 1997).
L'électricité
produite par l'alternateur sous 380 volts est ensuite dirigée soit
vers un des ballons d'eau chaude sanitaire, soit vers les convecteurs électriques.
L'appoint d'eau chaude sanitaire est réalisé par un chauffe-eau
solaire autoconstruit, qui permet de compléter la production éolienne
et de fournir ainsi plus de 95 % de la consommation annuelle. L'appoint
de chauffage est réalisé par une cuisinière aux bûches
qui ne consomme pas plus de 5 stères par an. La complèmentarité
de l'éolien, du solaire (et du bois) fait ici ses preuves et démontre
que des possibilités d'installations éoliennes existent dans
notre région.
Une démarche originale
La présence
du vent et du soleil n'étant pas permanente, il était indispensable
d'envisager un stockage d'électricité sous forme de batteries.
Pour limiter le coût des batteries, l'autonomie choisie a été
d'une à deux journées (remarque: dans nos régions
elle serait plutôt d'une semaine). Comme l'éolienne devait
assurer la majeure partie de la production d'électricité,
il était nécessaire de disposer de la production la plus
continue possible. Le deuxième choix important a consisté
à implanter une éolienne à vent faible. A l'accoutumée
les éoliennes sont conçues pour capter des vents importants,
mais elles démarrent également pour des vents de moindre
force. Cette démarche est intéressante pour des couplages
au réseau, mais ne rentre pas dans une logique d'électrification
autonome, où l'on ne peut pas stocker ou utiliser l'énergie
captée avec des vents forts.
C'est d'après
ces principes que Patrick Lebouil d'Angers (49) a réalisé
l'éolienne de Machecoul. Elle est placée à proximité
de l'habitation à 12 mètres de hauteur. Le rotor (4,8 mètres
de diamètre avec trois pales) a été réalisé
en frêne lamellé-collé et le système de régulation
des pales est de type mécanique à inertie. La vitesse du
vent pour le démarrage du roter se situe vers 2 mètres par
seconde, avec une pleine production vers 5 mètres par seconde où
l'éolienne dispose d'une puissance de 300 watts. La nacelle comporte
la génératrice entraînée par le rotor qui débite
du courant continu sous 24 volts. L'orientation de la nacelle est réalisée
par une régulation à partir d'une mesure de vent par deux
hélices auxiliaires placées à l'arrière de
la nacelle.
L'installation
photovoltaïque est composée de 5,7 mètres carrés
de panneaux en silicium mono-cristallin placés à 60 degrés
par rapport à l'horizontale sur une toiture. Les batteries stationnaires
au plomb peuvent stocker puis débiter jusqu'à 350 ampères-heure
sous 24 volts. Le bilan de fonctionnement de cette installation établit
un taux de couverture des besoins en électricité de 76 %
par l'aérogénérateur et de 20 % par les capteurs photovoltaïques.
Un groupe électrogène permet de subvenir aux besoins ponctuels
(travaux...) soit 4 % de l'énergie consommée. Les capacités
de production journalière sont de 3,83 kWh par jour pour l'éolienne,
de 1,02 kWh par jour pour les panneaux solaires. La production utilisée
par la batterie est de 4,64 kWhljour et la consommation réelle est
de 3,63 kWh/jour qui correspond à 1 326 kWh consommés annuellement.
Ces différences sont dues en partie au rendement de stockage et
de régulation mais surtout au fait que l'énergie peut être
consommée directement sans transiter par les batteries. Les capacités
de production des énergies renouvelables sont légèrement
supérieures aux besoins. En cas de surproduction l'aérogénérateur
et les panneaux sont mis hors-circuit.
Le coût
de l'installation a été de 30 000 francs pour l'aérogénérateur
autoconstruit, de 19'000 francs pour les panneaux solaires et de 38'000
francs pour l'ensemble batteries - groupe électrogène - chargeur
-onduleur- régulation soit un total de 87'000 francs. Le coût
du raccordement au réseau électrique aurait coûté
95'000 francs avec un coût de l'électricité bien supérieur.
L'étude
des petits systèmes hybrides éolien & solaire pourrait
déboucher sur une version franc-comtoise de ce type d'installation
en utilisant l'énergie éolienne en relais de panneaux solaires
pendant les périodes hivernales. La complémentarité
vent & soleil pourrait profiter aux possesseurs d'installations photovoltaïques
en sites isolés qui amélioreraient les performances hivernales
de leur installation en mauvaise saison, en y ajoutant une éolienne
à faible vent.
