Énergie éolienne : pourquoi ça marche ?

Sandrine Aubrun-Sanches

Maître de conférences Institut PRISME / Polytech’Orleans

Institut PRISME / Polytech’Orléans8, rue Léonard de Vinci45072 Orléans cedexSandrine.aubrun@univ-orleans.frTel : 02.38.49.43.94

Les énergies renouvelables

Directives européennes de 2001Directives européennes de 2001 pour la promotion des énergies renouvelables:

5,75%5,75% de biocarburants en 20102010 Eléctricité propre, de 14% en 1997 à 21% 21%

en 2010en 2010 50%50% de la production de chaleur d’origine

renouvelable en 20152015

Les énergies renouvelablesNécessité économique et écologique…

Capacité installée dans le monde

L’énergie éolienne dans le monde

En 2003, la Commission Européenne prévoit une capacité d’énergie éolienne installée de:

• 79.8 GW in 2010

• 144.8 GW in 2020

• 213.5 GW in 2030.

• Estimation revue 9 fois à la hausse entre 1996 et 2003

L’énergie éolienne en Europe

L’énergie éolienne en Europe

L’énergie éolienne offshore en Europe

L’énergie éolienne en France

Mars 2009

Prévisions : 25000 MW en 2020

Les challenges de l’éolien

Taille des éoliennes Installations off-shore Ferme d’éoliennes

Les composants

pales

tour

moyeu

nacelle

5) l’arbre lent6) Le multiplicateur7) Le frein8) l’arbre rapide9) Génératrice10) Système de refroidissement11) Anémomètres et girouettes

Vitesse de rotation 10 à 50 tr/min

Énergie cinétique énergie mécanique énergie électrique

Les disciplines concernées

Estimation des ressources éoliennes Aérodynamique Structures et matériaux (aéroélasticité) Génération d’électricité Intégration au réseau électrique Impact environnemental Finances, économie, régulations, publicité

Les disciplines concernées

Estimation des ressources éoliennesEstimation des ressources éoliennes Aérodynamique Structures et matériaux (aéroélasticité) Génération d’électricité Intégration au réseau électrique Impact environnemental Finances, économie, régulations, publicité

Les vents globaux

Les vents de surface

200 premiers mètres de l’atmosphère Dépendants de la rugosité du terrain et la

présence d’obstacles: végétation relief Urbanisation

Vents locaux (brise de mer, vent de montagne)

Vents de surfaces ≠ vents globaux

Potentiel éolien

Estimer le potentiel éolien d’un site En prospection En temps réel

Codes de calcul météorologique méso- échelles

Code de calcul pour modéliser la couche limite atmosphérique

La rose des vents

Variations météorologiques

Variations journalières (cycle diurne) Variations saisonnières Variations annuelles

La couche limite atmosphérique

Increasing complexity of the wind flow

Bou

ndary

layer

Mixed layer

Surface layer

Urban roughness50m

100m

600 ... 1000 m

Geostrophic wind

Les types de terrain

Terrain peu rugueux Terrain modérément rugueux

Terrain rugueux Terrain très rugueux

Les types de terrainCas extrêmes

La couche limite atmosphérique Modélisation des 100 – 200 mètres de la couche limite

atmosphérique (profil puissance)

Incluant la couche de surface (60 – 100 mètres) (profil logarithmique)

Régi par la rugosité du sol

ref ref

u z z

U z

* 0

1.ln

u z z

U z

z0, longueur de rugosité

U/U90m

z[m

]

0 0.5 10

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

= 0.19

U/U90m

z[m

]

0 0.5 110-2

10-1

100

101

102

Exemple de profil (modérément rugueux à rugueux)

U/U90m

z[m

]

0 0.5 10

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

= 0.19

Exemple de profil (modérément rugueux à rugueux)

La turbulence

0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

4

4.5

5

5.5

6

6.5

série temporelle de la vitesse mesurée à 30 m d'altitude

temps [heure]

vit

es

se

[m

/s]

La turbulence

Intensité de turbulence [%]

alti

tud

e[m

]

0 10 20 30 40 50 600

50

100

150

200

250

300

Frame 001 21 Apr 2005 Frame 001 21 Apr 2005

très rugueux

rugueux

modérément rugueux

peu rugueux

Intensité de turbulence

100 [%]uu

moy

IU

Cas idéal

Les terrains peu rugueux (mer, glace) sont privilégiés Profil de vitesse plat rendement optimal Turbulence plus faible moins de fatigue

structurelle (moins de vibration)

Les disciplines concernées

Estimation des ressources éoliennes AérodynamiqueAérodynamique Structures et matériaux (aéroélasticité) Génération d’électricité Intégration au réseau électrique Impact environnemental Finances, économie, régulations, publicité

Le fonctionnementLa puissance du vent

31.

2V

3 21. . .

2ventP V R

Le fonctionnement

Extraction d’énergie cinétique

de l’écoulement

distorsion des lignes de courant Puissance extraite

f(V1-V2)

(loi de Betz)

max 160.59

27vent

P

P

2 22 1 2 1

1 1

2 2V V V V

La loi de Betz (1919)

P/Pvent

Puissance extraite

Coefficient de puissance

= Puissance extraite/ Puissance du vent

Cp Puissance extraite (W)

0

200

400

600

800

1000

0 10 20 30

Vitesse (m/s)

Pui

ssan

ce (

W)

Coefficient de puissance

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0 10 20 30

Vitesse (m/s)

Cp

Exemple de l’éolienne Neg Micon NM52/900

Aérodynamique de pales

V

Aérodynamique de pales

Bernoulli : le long d’une ligne de courant, si la vitesse augmente, la pression diminue

V

Aérodynamique de pales

Bernoulli : le long d’une ligne de courant, si la vitesse augmente, la pression diminue

V

Forte dépression

Faible dépression

portance

La portance

Cz décrochage

Aérodynamique des palesen rotation

V

V

RW

Aérodynamique des palesen rotation

V

RW

portance

traînée

Aérodynamique des palesen rotation

V

RW

couple

portance

traînée

= (R) en pied de pale, grandEn bout de pale, petit

Traînée globale

Aérodynamique des palesen rotation

V

RW

= (R) en bout de pale, petit

en pied de pale, grand risque de décrochage pale vrillée

0

10

20

30

40

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1x/R

Inci

den

ce (

°)

% Couple

Incidence

Po

urc

enta

ge

de

cou

ple

(%

)

Aérodynamique des palesen rotation

Répartitions de couple et d’incidence le long de la pale

Obtenues avec le code de calcul EOLECalage : 8° ; Vitesse : 14 m.s-1

< 10° sur la partie de la pale qui fournit l’essentiel

du couple

Aérodynamique des palesLa corde des pales n’est pas constante

Contrôle de la puissance

Vitesse optimale de fonctionnement 15 m/s Si V > 15 m/s, il faut perdre de l’énergie

Contrôle à calage variable de pales= contrôle actif (éolienne à pas variable) Ingénierie complexe

Régulation par décrochage aérodynamique= contrôle passif (éolienne à pas fixe)

Si V augmente, augmente décrochage local perte de portance

Sillage d’une éolienne

Impact sur les éoliennes situées en aval

Interaction

D’autres concepts:Eoliennes à axe vertical

Rotor de Darrieus Rotor de Savonius

Les disciplines concernées

Estimation des ressources éoliennes Aérodynamique Structures et matériaux (Aéroélasticité)Structures et matériaux (Aéroélasticité) Génération d’électricité Intégration au réseau électrique Impact environnemental Finances, économie, régulations, publicité

Généralités L’éolienne doit pouvoir supporter des

vents très forts Nombre de pales restreint (3 pales)

Turbulence très élevée Fatigue des structures Étude oscillatoire des structures

V

couple

couple

traînée

Résistance des pales

La tour

tubulaire d’acier en treillis haubanés

Les pales et la nacelle

Les grandes éoliennes Matériaux plastiques + fibre de verre

Les petites éoliennes Aluminium et acier

Les disciplines concernées

Estimation des ressources éoliennes Aérodynamique Structures et matériaux (Aéroélasticité) Génération d’électricitéGénération d’électricité Intégration au réseau électrique Impact environnemental Finances, économie, régulations, publicité

La génératrice

Transforme l’énergie mécanique en énergie électrique

Génère un courant alternatif triphasé de 680V

Transformé en 10 ou 30 kV

pour être raccordé au réseau Signal électrique en 50 Hz

(60 Hz aux U.S.A.)

La génératrice asynchrone

Rotor en cage d’écureuil Barreaux d’aluminium reliés par deux

cercles métalliques Matériau conducteur

Champ magnétique tournant => courant induit dans les barreaux de la cage

Vrotor = 1.01 Vchamp magnétique

La génératrice asynchrone

Indépendant du nombre de pôles

Doit être relié au réseau électrique pour générer le champ magnétique tournant

Les disciplines concernées

Estimation des ressources éoliennes Aérodynamique Structures et matériaux (Aéroélasticité) Génération d’électricité Intégration au réseau électriqueIntégration au réseau électrique Impact environnemental Finances, économie, régulations, publicité

Raccordement au réseau

Raccordement direct si le signal électrique généré est à 50Hz (pas réaliste)

Raccordement indirect

transformateurs

filtres

Intégration au réseau électrique

Énergie éolienne=

Énergie « fatale »…

Dixit RTE (Gestionnaire du Réseau de Transport d’Électricité)

Intégration au réseau électrique

Une éolienne tourne 80 à 90% du temps mais pas à sa puissance nominale

Sa production est ramenée au nombre d’heures si elle fonctionnait à son optimum: Bon sites : 3000 h /an (1 an = 8760h) En Beauce : 2500 à 2700 h/an Allemagne : 1800 h/an

Énergie complémentaire associée à d’autres formes de production

Choix des sites Obligation d’achat par EDF

de l’électricité à 0,082 € du kWh pendant 10 ans

Puissance installée ≤ 12 MW (jusqu’en 2007)

Prix du kWh entre 0,05 et 0,07€ (0,027€ pour le nucléaire, 0,035€ pour le gaz)

Différence répercutée sur la facture des particuliers (0,60€ / an / foyer)

Les disciplines concernées

Estimation des ressources éoliennes Aérodynamique Structures et matériaux (Aéroélasticité) Génération d’électricité Intégration au réseau électrique Impact environnementalImpact environnemental Finances, économie, régulations, publicité

Impact sur le milieu biologique

Eoliennes et oiseaux Oiseaux migrateurs Oiseaux locaux (suivant les études: 0,1 à 4 oiseaux

tués / éolienne / an) Chauve-souris

Eoliennes et végétation Emprise au sol faible Terrassement Réseau routier Zones d’assemblage

Clauses de démantèlement

Impact sur les humains

Attention chute d’objets…. Distance minimale : 6 fois la hauteur totale

Nuisance sonore 1 éolienne : 45dB à 100m 30 éoliennes : 45dB à 500 m

Insertion paysagère de « C’est affreux… » à … « c’est superbe!! »

L’ombre des éoliennes Les travaux Syndrome « Not in my back yard »

Les disciplines concernées

Estimation des ressources éoliennes Aérodynamique Structures et matériaux (Aéroélasticité) Génération d’électricité Intégration au réseau électrique Impact environnemental Finances, économie, régulations, Finances, économie, régulations,

publicité publicité

Retombées locales

Exemple : communauté de communes de Janville 27 éoliennes, soit 60MW installés 4000€/éolienne/an pour le propriétaire terrien

(location) 4000€/éolienne/an pour la Région Centre (taxe

professionnelle) 10000€/éolienne/an pour le département Eure et Loir

(taxe professionnelle) 10000€/éolienne/an pour la communauté de

communes (taxe professionnelle)

Coûts d’un projet éoliencoût moyen du kW installé : 1,7 k€

Durée de vie : 15-20 ans (plus long en mer)

Les composantsCOMPOSANTS % (en valeur)

Pales 14 %

Moyeu 3 %

Multiplicateur 14 %

Génératrice 8 %

Roulements 4 %

Groupe hydraulique 8 %

Electricité 9 %

Nacelle et capot 8 %

Assemblage 3 %

Divers 5 %

Mât 24 %

Total : 100.0%

Les constructeurs

Nordex (Allemagne) Vestas (Danemark) Dewind (Allemagne) Enercon (Allemagne) Ecotècnica (Espagne) Gamesa Eolica (Espagne) Enron Wind (USA) Vergnet (Orléans, France) « petit éolien » …

Liste non exhaustive

Bibliographie

Sites internet www.ademe.fr (ADEME) www.windpower.org (association danoise) www.meteo.fr (Meteofrance) www.ewea.org (European Wind Energy Association) www.eole.org www.suivi-eolien.com

Livres Wind Energy Handbook (Wiley & Sons) Guide de l’énergie éolienne (Coll. Etudes et filières)

Conférences European Wind Energy Conference, 22-24 nov. 2004, Londres.

Installations offshore

Solution miracle Vent constant et peu turbulent Grande étendue : ferme d’éoliennes Pas de population Peu visible du continent

Difficultés technologiques Raccordement au réseau continental Fondations des éoliennes Salinité et corrosion construction

Installations offshoreexemple au Pays-Bas

D’ici 2020 25 fermes 50 200 km2

6 GW installé

Perturbation de

l’écoulement

Corten et al. (EWEC 2004)

Les forces de Coriolis

Observateur terrestreObservateur extra-terrestre

Les forces de Coriolis

Observateur terrestreObservateur extra-terrestre

2cF mV ##########################################

Aérodynamique des pales en rotation

Incidence des pales

géo : Incidence géométrique

: Calage des pales

Contrôlés par l’opérateur

Obtenue à l’aide d’un code de calcul de type ligne portante

induit : Incidence induite

V

rAgéo

.tan

induitgéo

βα

r

V

W

Ecoulement attaché

Ecoulement radial

Ecoulement décollé

Décrochage 3D

Aérodynamique des palesen rotation

La corde des pales n’est pas constante

Aérodynamique des palesAile de faible allongement

Dépression relative extrados

Surpression relative intrados

- - - - - - - - - - - - - -+ + + + + + + + + +

Écoulement extrados divergent

Écoulement intrados convergent

Perte de portance

Tourbillon marginal