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Eolienne
 

Aspects techniques

Fonctionnement

Une éolienne est un dispositif qui utilise la force motrice du vent. Cette force peut être utilisée mécaniquement (dans le cas d'une éolienne de pompage), ou produire de l'électricité (dans le cas d'un aérogénérateur).

Une éolienne permet de transformer l'énergie cinétique du vent en énergie électrique. Elle se compose des éléments suivants :
 

Un mât 

Permet de placer le rotor à une hauteur suffisante pour permettre son mouvement (nécessaire pour les éoliennes à axe horizontal) et/ou placer ce rotor à une hauteur lui permettant d'être entraîné par un vent plus fort et régulier qu'au niveau du sol. Le mât abrite généralement une partie des composants électriques et électroniques (modulateur, commande, multiplicateur, générateur, etc.).

Un rotor

Composé de plusieurs pales (en général trois) et du nez de l'éolienne. Le rotor est entraîné par l'énergie du vent, il peut être couplé directement ou indirectement à une pompe (cas des éoliennes de pompage) ou plus généralement à un générateur électrique. Le rotor est relié à la nacelle par le moyeu.

Une nacelle

Montée au sommet du mât, abritant les composants mécaniques, pneumatiques, certains composants électriques et électroniques, nécessaires au fonctionnement de la machine.
Dans le cas des éoliennes produisant de l'électricité, un poste de livraison situé à proximité du parc éolien permet de relier ce parc au réseau électrique pour y injecter l'intégralité de l'énergie produite.

 

Critères de choix de l’implantation

 

L'efficacité d'une éolienne dépend de son emplacement :

 

La vitesse du vent

La puissance fournie augmente avec le cube de la vitesse du vent, raison pour laquelle les sites sont d'abord choisis en fonction de la vitesse et la fréquence des vents présents. En effet, en règle générale, les éoliennes sont utilisables quand la vitesse du vent est comprise entre 10 et 20 m/s (36 et 72 km/h). Des valeurs excessives conduiraient soit à la destruction de l'éolienne, soit à des coûts de construction et de maintenance prohibitifs.

La turbulence du vent

Un autre critère important pour le choix du site est la constance de la vitesse et de la direction du vent, autrement dit la turbulence du vent. En effet, l'axe de rotation de l'éolienne doit rester la majeure partie du temps parallèle à la direction du vent. Même avec un système d'orientation de la nacelle performant, il est préférable d'avoir une direction de vent la plus stable possible pour obtenir un rendement optimal. Certains sites à proximité d'obstacles sont ainsi à proscrire car le vent y est trop turbulent (arbres, bâtiments, escarpements, etc.).

Autres critères

D'autres critères sont pris en compte pour le choix du site.

La nature du sol :

Il doit être suffisamment résistant pour supporter les fondations de l'éolienne. Ce critère n'est pas déterminant car dans le cas d'un sol meuble, des pieux seront alors enfoncés sous les fondations de l'éolienne.

L'accessibilité du site (virages, pente, passage de ponts) :

Nécessaire au transport des différents éléments de l'éolienne (pales, tour, nacelle) et des grues nécessaires à son montage. Cette contrainte peut limiter la puissance maximale installable par machine.

La connexion au réseau électrique :

Pour cela, les petites fermes d'éoliennes sont le plus souvent situées à proximité d'un poste de transformation haute tension afin de diminuer le coût de raccordement qui est directement fonction de la distance à ce poste. Pour les grosses fermes éoliennes, le réseau doit être en mesure de supporter l'énergie produite, et son renforcement est parfois nécessaire (renforcement ou création de poste de transformation). Le raccordement est plus coûteux dans le cas des projets offshores, mais les sites sont beaucoup plus ventés et les contraintes grandement plus faibles.

Impact sur les oiseaux (collision, dégradation de l'habitat, etc.) :

Birdlife International a fait un certain nombre de recommandations au Conseil de l'Europe à ce sujet, les réserves naturelles, les routes migratoires importantes (cols), etc. sont des lieux à éviter pour la sauvegarde des oiseaux.

Impact sonore :

Même si les éoliennes de dernière génération sont relativement silencieuses, une étude de l'impact sonore sur les habitations est effectuée avant l'implantation des parcs éoliens. En fonction du résultat, cette implantation peut être modifiée afin de respecter la réglementation (émergence maximale de 5 dBA le jour et 3 dBA la nuit). La distance entre les éoliennes et les habitations est généralement de 300 m. À environ 500 m, elles sont inaudibles ou très peu audibles et leur bruit est généralement couvert par le bruit du vent.

Sites propices

Certains sites bien spécifiques augmentent la vitesse du vent et sont donc plus propices à une installation éolienne :

L'effet tunnel ou effet Venturi :
 

Au niveau des cols, entre deux montagnes comme entre deux grands bâtiments, le vent est souvent plus fort. L'air est compressé entre les montagnes ou les bâtiments. Pour garder un débit d'air constant, la vitesse augmente donc considérablement. De plus, le vent garde généralement une direction constante. Ces lieux sont donc très appropriés pour les éoliennes. Ils sont cependant le plus souvent de surface restreinte et il est difficile d'y placer une grande quantité d'éoliennes.

Suivant le même principe

L'air est compressé au sommet des collines et le vent y est donc accéléré. Il est tout de même important que les flancs de la colline soient en pente douce et sans escarpements susceptibles de provoquer des turbulences néfastes au fonctionnement de l'éolienne.

La mer et les lacs

Sont aussi des emplacements de choix : il n'y a aucun obstacle au vent, et donc, même à basse altitude, les vents ont une vitesse plus importante et sont moins turbulents. La proximité d'une côte escarpée, en revanche, créera également des turbulences, usant prématurément certains composants mécaniques de l'éolienne.

Le petit éolien
  

Une éolienne se modélise principalement à partir de ses caractéristiques aérodynamiques, mécaniques et électrotechniques.

En pratique, on distingue :
- le ‘grand éolien’, qui concerne les machines de plus de 250 kW.
- l'éolien de moyenne puissance entre 36 kW et 250 kW.
- le ‘petit éolien’ inférieur à 36 kW.

Caractéristiques

Le petit éolien, ou éolien individuel ou encore éolien domestique, désigne les éoliennes de petites et moyennes puissances (< 36kW), montées sur des mâts de 10 à 35 mètres, raccordées au réseau ou bien autonomes en site isolé.
L'élément essentiel pour qu'une petite éolienne soit économiquement rentable est le vent, qui doit être à la fois puissant et fréquent.

Puissances et dimensions

Les règles dépendent d’une seule formule :

P = ½ ρ S v³ B η

avec :
P : puissance de l’éolienne en Watts
ρ : densité de l’air, kg/m3 : 1,25 au niveau de la mer
S : surface du disque couvert par l’hélice en m²
            S = p( D/2 )²
v : vitesse du vent en m/s
B : limite de Betz (0,59)
η : rendement de l’éolienne (entre 50% et 80%)

En doublant le diamètre, la production est multipliée par 4 mais le vent est un facteur déterminant.

Exemple : Une éolienne de 3,5m de diamètre produit environ :
- 1900 kWh/an à 4 m/s
- 3000 kWh/an à 5 m/s
- 4000 kWh/an à 6 m/s
- 4900 kWh/an à 7 m/s
Les performances vont donc dépendre du site d’implantation.

Remarque : Convertir des m/s en km/h
Exemple pour 2 m/s
2 m = 0,002 km (diviser par 1000)
0,002 x 3600 = 7,2 km/h (multiplier par 3600)