Le petit éolien : marchés, applications, architectures et gestion d'énergie

21/10/2017
Auteurs : Xavier Roboam
Publication REE REE 2005-5
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2005-5:20533
DOI :

Résumé

Le petit éolien : marchés, applications, architectures et gestion d'énergie

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	    <date dateType="Updated">Sat 21 Oct 2017</date>
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Dossier L'ÉNERGIE ÉOLIENNE Le petit éolien : marchés, applications, architectures et m gestion d'énergie Mots clés Petit éolien, Marché, Architecture système, Gestion d'énergie, Raccordement réseau ParXavierROBOAM LEEI, UMRINPT-ENSEEIHTICNRS No 5828 Le « petit éolien » couvre la gamme des faibles puissances jusqu'à 100 kVV, réparties en trois catégories : micro-éoliennes de 20 W à 500 W, mini-éoliennes de 500 W à 1 kW et petites éoliennes de 1 à 100 kW. Au-delà, les projets s'apparentent au « grand éolien ». Ce secteur correspond pour l'instant à un « marché de niche » au tissu industriel fragile, avec cependant un fort potentiel de développement. 1. L'offre et la demande du « petit éolien » Il faut reconnaître que la demande semble à l'heure actuelle limitée, du moins dans les pays occidentaux. En effet, alors que la production occidentale s'est portée à 60 000 unités sur les vingt dernières années,la Chine a dans le même temps produit et installé plus de 160 000 unités de micro-éoliennes de 100à 500 W, principalement dans les zones rurales de la Mongolie Intérieure. La caté- gorie du petit éolien de 1 à 100 kW doit principalement son développement au marché des régimes insulaires généralementdans desapplications hybrides éolien/diesel. Le micro-éolien est largement présentdansdeux marchés de masse,d'une part celui de la marine de plaisance en Occident et d'autre part le marché chinois de Félectrifi- cation rurale. L'intégration de l'éolien au bâti, comme nousle montronsaprès,peutaussiavoir unintérêtmalgrédes obstaclesnon négligeablesà surmonter(foi-teinstationnarité du gisement due à la rugosité des sites, contraintes d'environnement et de sécurité...). EDF R&D s'investit dansce secteurdepuis quelques annéesdansle but derépondreà la demandedeparticuliers ( «demandecitoyenne»), de certainsindustriels « sensibili- sésaux questions environnementales » ou/et dans un but de marketing et d'affichage. Quelques sites-pilotes (hôtel- lerie, supermarchés...) sont à l'étude. Les collectivités locales ne sont pas en reste, et de plus en plus de com- munes ou communautés de communes souhaitent orien- ter leur politique d'aménagement du territoire vers le déve- loppement durable, et en profiter pour afficher des repères clairs et visibles de leur investissement. Plusieurs demandes plus ou moins bien satisfaites ont été effectuées : l'ADEME est prête à soutenir et pro- mouvoir ces initiatives. L'emploi du petit éolien pour l'électrification rurale décentralisée [HUL-03], [EDF] est assezpeu répandu et a très souvent été un échec en raison de l'absence d'or- ganisation humaine en charge de la maintenance et de l'exploitation des systèmes.Seule la Chine, qui a mis en place une filière locale de fabrication suite à un transfert technologique de machines adaptéesaux besoins et aux gisements, a rencontré un vif succès dans l'emploi de l'éolien pour l'électrification rurale, et cela depuis bien- tôt plus de vingt ans. SSENTIEL SYNOPSIS Cetarticleprésentele contexte et lesenjeux du « petitéolien », situantl'offre,lademande etlesprincipaux secteurs d'application. Onfaitensuiteétatdesprincipaux aspects techniques entermes d'architectures systèmeet de gestiond'énergie(structure, rac- cordement BT.J. Context andstakes of smallwind power systems aredescribed in this paperby situatingbothsupplyanddemandas weil asthe mainapplication fields.Technical issuesare then concerned in terms of systemstructure,energymanagement and network connection. REE No 5 Mai 2005 Dossier UÉNERGIE ÉOLIENN Facteurs économiques Le coût d'achat de petites éoliennes (< 100 kW) est élevé : de 2 à 10 &Euro;/W. Un rapport de 2002 sur l'industrie américaine dans le petit éolien parle de 4 $/W et évoque un important marché potentiel aux USA : http ://www.awea.org/smallwind/documents/31958.pdf et desperspectives pour 2010 à 1,5$/W (en comparaison, le prix asymptotique du grand éolien est attendu à 0,47 &Euro;/W à l'horizon 2030). Pour l'instant, ce coût devient prohibitif pour les très petites puissances. Les coûts d'entretien et d'exploitation s'ajoutent aux coûts d'installation, de sorte que, dans le contexte actuel pour lequel les constructeurs produisent en série limitée, voire très limitée, la rentabilité est presque impossible à atteindre, sauf dans des sites très ventés : remarquons cependant que l'exemple chinois montre bien qu'une baissetrès significative descoûts est possible à condition « de mettredesmoyenssuffisants». Une comparaisontech- nico-économique entre une machine occidentale et une machinechinoise nouséclairesurlesavantages decetteder- nière: régularité dela productionconduisantàuneréduction de la taille desbatteriesassociées ; production annuelleplus importante ; le coût global actualisé sur quinze ans pour l'éolienne chinoise variant de 0,34 à 0,63 E/kWh en fonc- tion de la qualité du gisementcontreunevariation de 0,86 à 1,51 &Euro;/kWh pour la machineoccidentale. Le mode de raccordementjoue aussisur la rentabilité. En effet, selon que le réseaudoit ou non être îlotable, la présence d'accumulateurs coûteux est ou non indispen- sable. Le mode le moins coûteux est le raccordement direct au réseau, qui permet de bénéficier des tarifs de rachat intéressants. Mais les systèmes secourus (îlo- tables) par accumulateur ou mixtes (groupe électrogène, pile à combustible), bien queplus coûteux, ont aussileurs avantages pour des applications particulières en site urbain par exemple (hôpitaux...). Les derniers événe- ments intervenus sur certains réseaux nationaux (USA, Suède,Italie...) et la dérégulation en cours et future (pour les particuliers) du secteurde l'énergie relancent l'intérêt d'une certaine autonomie de la production électrique. Facteurs favorables Mais, vis-à-vis de la rentabilité notamment, plusieurs facteurs pourraient faire évoluer la situation : . La possible diminution des coûts d'achat dans une large mesure, à condition que de puissants acteurs industriels, apportant des gagesde sérieux parfois manquants dans ce secteur,se saisissentet exploi- tent ce marché de niche. . L'optimisation du compromis coût/performance passant par la simplification du système complet voilure, montage mécanique,accessoires(freins...), chaîne mécano-électriques, production d'énergie et raccordement. Dans la suite de cet article, nous présentonsen particulier certainessolutions électro- techniquespoursuivant cet objectif de compromis. . Les effets de concentration du vent en profitant de l'environnement, en particulier de l'enveloppe du bâtiment dans le cadre d'une intégration en site urbain. . La meilleure connaissance locale des données mmétéorologiques et de la qualité des sites. e e ZD Facteurs défavorables . La question desmesurespréalables sur site : autant en grand éolien, des mesuressur site croiséesavec des données météorologiques sont généralement effectuées avant toute implantation, autant ce type d'étude entraînerait un coût prohibitif en petit éolien. Cette question est d'autant plus cruciale sur les sites à forte rugosité et effets d'abri (masquage par obstacle) tels que les sites urbains. De plus, les éoliennes de faibles tailles sont d'autant plus sujettesaux effets de hauteur. . La question de la rugosité des sites : la vitesse du vent dépend de la hauteur à laquelle l'énergie du vent est prélevée, ainsi que de la rugosité du site. Celle-ci évolue beaucoup (rapport supérieur à 1000) depuis la surface d'un plan d'eau à celle d'une grande ville. On comprend donc aisément que le choix d'un positionnement judicieux de l'éolienne en site urbain est absolument essentiel pour assurerune production correcte, les solutions en toiture sur des immeubles de grandes hauteurs pouvant être des candidatesintéressantes. L'offre Aujourd'hui, plus de 50 constructeurs proposent plus de 100 modèles différents. L'annexe, en fin de texte, présente un ensemble de réalisations appartenant au domaine du « petit éolien » dansune gamme de puissance de 50 W à 20 kW (étude de 1998). Les génératrices sont quasi exclusivement à aimants permanents. La plupart sont synchrones triphasées.En comparaison des chiffres habituels dansle « grand éolien », la gamme de vitessede rotation est ici plutôt élevée (Jusqu'à2000 tr/min), ce qui est un avantagepour le dimensionnement de la génératri- cequi « redevientclassique», mais un inconvénient certain au plan acoustique.C'est dû au fait que, pour un profil de pale donné, la gamme de vitesse augmente approximati- vement en raison inverse du rayon des pales. On peut cependantnoter que certainesde cesgénératricestournent plus lentement (Jusqu'à 175 tr/min pour la plus grosse turbine de 20 kW). Une solution pour diminuer la vitesse de rotation et limiter le bruit consiste à choisir des éoliennes à axe vertical, de type Savonius et, dans une moindre mesure, Darrieus puisque les premières tournent en moyenne 6 à 8 fois moins vite qu'une tripale classique, cela pour un rayon identique. Ces turbines qui « prennent le vent » dansn'importe quelle direction sont a priori bien adaptées REE N°S Mai 2005 Le petit éolien : marchés, applications, architectures et gestion d'énergie aux gisements fortement turbulents (sites urbains). Cette production correspond néanmoins à un « marché de niche », en particulier compte tenu de son coût relative- ment prohibitif (production de quasi-prototypes) et de sa masse importante. Applications de « plaisance » Ce secteur concerne principalement la navigation de plaisance. On peut citer l'exemple réussi de l'éolienne Air X (400 W) réalisée par Southwest windpower. (www.windenergy.com). Avec ses versions dérivées (Air X Marine...), c'est probablement le système actuelle- ment le plus vendu dans le monde (plus de 9000 par an) sur le secteur du petit éolien. C'est un véritable exemple réussi de système optimisant le compromis entre coût (environ 600 $ US), fiabilité et performance. La voilure tripale avec ses pales en fibres de carbone est assez performante et permet un décrochage (stall) à fort vent. La génératrice est de type synchrone à aimant. Hsv .' ;. MMWt'M - : :, ; : %1.....,, -,,- : ; : ;'> : Dans le cadre du programme Ecodev CNRS-Ademe, le LAAS et le LEEI Toulouse travaillent sur la conception de centrales modulaires mixtes éolien & photovoltaïque. Nous avons ainsi eu l'occasion de tester cette éolienne Air 403 installée et couplée au toit photovoltaïque du LAAS. Figure 1. Éolienne Air 403 installée sur le toit du LAAS Toulouse. Difficile de dire exactement comment les forces électromotrices sont redressées et contrôlées, mais le dispositif est simple, très intégré et efficace. Il permet de stabiliser au moyen de microprocesseur la tension déli- vrée en vue de charger une batterie d'accumulateurs (12- 24V). Le constructeur annonce une maximisation de la puissance (MPPT) en fonction du régime de vent. Sur la figure 2, on constate que la tension de batterie est maintenue (contrôle par hystérésis) entre 12 et 15 V et .'J P ,)', ,.;'e 1 ", ï 1 1 O. .%.'il ",, '. ,'.'-- - ! \'.' J·h ..''''' :' : " \.. , 1 minutes Figure 2. Contrôle de la tension de batterie en présence de variations de vent pour l'éolienize Air 403. 5 () () -1 () () 300 200 0 (i 1 () () l'uissancc( Puissance instantan ('c 'ance t:mtancc tSance : .m) cnne r Il s III 2) Vent(ttnics/hcu) c) -1 5 3 ( 3 5 5 4 () t t t.i "..t. - - -"* "- ft/t !'- t' ! ! '.. "iHtf * " t ' ;''-""" i'- "-' !---- - ""t tUU'_ _,'i. J. i ! 500- ---------------- 40Q 300 - - - 200 - ;., 1'- "'-' - " " " ---- "-'--1 inph 5 10 15 20 25 30 35 40 9.0 il3 11,5 158 18.0 203, mn n 1 *1t ? f1 4 ] Etp J 4U ! U < 'J "3' .J "J ? $ 2.3 4.5 M 9.0 13 13.5''U jj Tip LCPI - se, Lt,-# ! - TuttKtert E-it, Figitre 3. Mestires st (r site (hatit) et doiniées coiist'iictetirs (bas) pour l'éolieiiiie Air 403. que le courant suit les variations de vent. Nous avons aussi pu mesurer l'écart qui existe entre mesures sur site et données constructeur obtenues en conditions « idéales » (essais réalisés dans un tunnel de vent en régime parfai- tement stationnaire). Cet écart est dû à l'instationnarité des régimes de vent réels en amplitude et surtout en direction. L'intégration au bâtiment Il existe plusieurs projets à l'état R&D : le projet européen Web, dont le but était de développer des techniques innovantes d'intégration et d'amélioration de la production électrique des aérogénérateurs dans le bâtiment en prenant en compte les considérations esthé- tiques, architecturales, aérodynamiques, acoustiques et NYk4'Y W olc7M POSV %nnvrW iV. MGe_Ru FcM.M lApli>prt ff Y. : " " "',. v > tH !i!. 9'aormitc). Mpat.NCoi) CHC'Mt. ;M, .1 .%> CL-'t ; U> Fmp,atWCA'Wma Er.yçY kvrthn Bvfi CTyfnnrt (epf-JOP7 Cn91Lf7G 4. ', : K 6 t I .,-.'. i ' " . M'' Figure 4. « Bâtiiieiit éolieiz » projet WEB, www.web@bdsp.coiii (gauche) ; (droite) Montage photo représentant l'éolieniie « Tbirby » toit TU. Deft. REE No 5 Mai2005 Dossier L'ÉNERGIE ÉOLIENNE environnementales. L'efficacité des BAWT ( « Building Augmented Wind Turbine ») c'est-à-dire l'utilisation de la forme du bâtiment comme effet de concentration a ainsi été démontrée. L'université Strathclyde de Glasgow et le Centre of Renewable Energies (CRE) de Singapour ont aussi contribué au domaine. Au TU Delft, S. Mertens a optimisé une Darrieus en H pour une implantation en toiture [MER-2003]. Elle est commercialisée sous le nom de Turby. En France, le groupe EMT2 de l'IMFT (Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse) et l'équipe "Système" du LEEI, deux laboratoires de l'INPT/ENSEEIHT, se sont associés depuis 2000 avec le soutien de l'Ademe et d'EDF R&D pour contribuer à l'optimisation multiphy- sique de systèmes éoliens de puissance réduite. Dans le domaine mécanique, les travaux se sont prin- cipalement consacrés à l'optimisation de forme de voilu- re à axe vertical, ainsi qu'à l'étude des effets de proximi- té améliorant le rendement aérodynamique [FAU-04]. Dans un premier temps, les turbines Savonius ont été tes- tées en raison de leur bonne adaptabilité au milieu urbain. L'idée de base est ici d'exploiter les « effets venturi », les bâtiments pouvant être utilisés comme « concentrateurs d'énergie ». Différentes configurations ont été comparées. Par exemple, ces études ont montré qu'une telle voilure fixée à une certaine distance de la paroi d'un bâtiment permet d'améliorer le rendement ( (Cp fictif))) jusqu'à un facteur 3 pour des angles d'incidences de 30° et 150°. Figure 5. Sirnulation iitiiiériqtte d'i (iie éolieiiie Sciioiiiiis contre un iiiiir. Marché des sites isolés, insulaires Il existe aussi d'autres marchés dans les sites isolés, insulaires ou pour des applications nomades. Sur ce der- nier point, nous avons en introduction de ce paragraphe fait allusion au marché chinois. D'autres secteurs d'ap- plication existent pour récréer un mini-réseau électrique (réseau insulaire) ou pour utiliser localement l'énergie éolienne. L'exemple du pompage d'eau ou du dessale- ment d'eau saumâtre est particulièrement intéressant, puisque l'eau conservée en réservoir évite ou minimise le problème épineux du stockage d'énergie. Dans ces sec- teurs d'application, les éoliennes sont le plus souvent couplées à d'autres sources d'énergie (photovoltaïque, groupe électrogène et bientôt pile à combustible) pour augmenter la disponibilité en l'absence d'un réseau puis- sant. Pour de telles applications, on peut aussi espérer, dans un avenir proche, la perspective d'un stockage d'énergie propre sous forme d'hydrogène par électrolyse de l'eau. 2. Architectures systèmes et gestion d'énergie Deux grandes familles se partagent le marché : Les systèmes directement connectés au réseau de distribution, fonctionnant à vitesse « quasi fixe ». Ils sont le plus souvent équipés de génératrices asynchrones (GAS) à cage d'écureuil, dont le bobi- nage statorique peut comporter des enroulements à différentes paires de pôles. Ces bobinages stato- riques sont directement connectés au réseau sans électronique de puissance. L'avantage d'une telle architecture est lié à sa simplicité et à son coût d'in- vestissement réduit. Les inconvénients principaux de ce type de chaîne sont dus à la rigidité (vitesse faiblement variable par glissement de la GAS), l'absence d'optimisation de puissance et la néces- sité d'un multiplicateur de vitesse. On peut aussi ajouter à cette liste les problèmes d'accrochage/ décrochage intempestifs du réseau, en particulier dans le cas de réseaux faibles ou à fort taux de défauts (creux de tension, déséquilibres). Les systèmes à vitesse variable : dans cette gamme de puissance, ils sont le plus souvent équipés d'une génératrice à aimants permanents particulièrement efficace et légère. Pour de faibles rayons de pales, les rotor tournent suffisamment vite pour que la conception des générateurs reste classique. Cependant, comme nous le montrons au para- graphe suivant, une conception de la génératrice dédiée à l'application est nécessaire, selon la turbi- ne et la chaîne de conversion d'énergie utilisées. c Exemple d'architectures à vitesse variable Nous étudions ici plus en détail la chaîne synchrone qui paraît la plus prometteuse et la plus utilisée dans cette gamme (cf fig 6, bas). Plusieurs structures de conversion sont possibles derrière la génératrice : . redresseur MU permettant un contrôle vectoriel en couple, à partir duquel on est capable de maximi- ser la charge de la voilure et de la maintenir au point optimal (Cp,pt, opt) - . redresseur à diodes, suivi (ou non) d'un hacheur DC-DC. Nous avons effectué une étude complète sur ces différentes architectures [MIR-04,05] avec pour objectif de dégager un compromis optimal coût/performance. L'insertion d'un redresseur à diodes contribue à la réduction de coût du système (suppression de capteur mécanique, convertisseur faible coût...). Cependant, selon les inductances de la génératrice, l'effet d'empiètement dû aux diodes de redressement dégrade légèrement le facteur de puissance. Ce dernier reste cependant « raisonnable » (supérieur à 0,8) pour les dimensions du « petit éolien », même en l'absence d'inductance de lissage côté continu. En l'absence d'adaptation d'impédance (pont à diodes débitant directement sur la batterie, [GER-0 1], [MIR-041), REE N°S Mai2005 Le petit éolien : marchés, applications, architectures et gestion d'énergie GAS S GAS t f t,L.--f ; -, t f i t p12 f (a) Génératrice ASynchrone à cageavec -=- multiplicateur Compensation d'énergie réactive condensateur. Pâlesàcalagetype " stall " *%Me, (?Fv Vergiiet GEJ/x\ : 5 - 275A-9' -//PM mi4+ b)génératrice synchrone a aimantspermanents à attaquedirecte Chaîneà vitessevariable. Figttre 6. Architectttres d'aérogénérateurs en petit éolien. y r Energie anuelle en fonction duprofil duvent 2500 20,30 1530 1000 -,-- 7 10 c[m/s] bras2bras - fL 12 On compare ici deux architectures : e redresseur MLI · redresseur à diodes et hacheur 1 ou 2 bras. Le paramètre c (m/s) est le facteur d'échelle de la statistique de Weibull dont le facteur de forme k = 2 Figure 7..- (haut) - Exeiiilgle d'architec,tbire a vitesse variable. (bas) - Comparaisor2 d'énergie arwcrellement pr-oduite selon la structure. la puissance prélevée ne peut être maximisée sur toute la gamme de vent. En revanche, ce système « à coût minimal » présente un mode de fonctionnement « naturel » qui peut rester assez efficace énergétiquement sous condition d'une « conception système dédiée », associant harmonieusement les paramètres dimensionnants (turbine- génératrice-batterie). Une adaptation d'impédance est possible grâce à l'insertion d'un convertisseur électronique de puissance comme sur l'exemple de la figure 7. Grâce au hacheur dévolteur placé entre pont de diodes et batterie, il est possible de contrôler efficacement le point de puissance en agissant indirectement sur la génératrice [MIR-05]. Il suffit pour cela de contrôler le courant (donc la puissance) véhiculé vers l'accumulateur. Dans cette gamme de puissance et pour ce type d'application (chargeur de batterie), cette architecture nous est apparue comme un excellent compromis coût/performance (2 tensions, 1 courant captés) : elle maintient en effet un bon indice d'efficacité énergétique, tant en régime de vent station- naire que turbulent. 3. Raccordement en basse tension (BT) Critères et contraintes propres au « petit éolien » Indépendamment de la gamme de puissance, il existe plusieurs critères et contraintes de conception de sys- tèmes éoliens [MUL-04]. On ne raisonne ici que sur le cas d'un raccordement en basse tension (BT). Sécurité : la norme IEC61400 - 2 relative à la sécurité des petits aérogénérateurs (surface inférieure à 40 ni, tension inférieure à 1000 V ou 1500 V DC) donne quelques contraintes de conception (mécaniques, électriques, génie civil). En particulier, une procédure sûre pour airêter l'aérogénérateur doit être précisée par le constructeur, ainsi qu'une spécification de la vitesse maximale de vent. Qualité réseauIFlicker : la réglementation sur le contenu harmonique se définit, pour un raccordement en BT, par les normes CEI 61000-2-2 (100 Hz-20 kHz) et EN 50160 (0,9-9 kHz). Comme le montre une étude réa- lisée en partenariat avec EDF R&D [LAN_021, l'impact REE N5 Mai2005 Dossier L'ÉNERGIE ÉOLIENNE Redresseur Onduleur '"/ (\ --'''t'''.'.'L ' .-f " :''y' _Q j'''''''''...' "'' : . :.- "------ ----.-------'-.,'...,'.L' !....i/ :: ;':, c Reg GS ! \.1PPT a a s; 1^ u - s N " r e e2 ; (j r,x r 'j`f' t<;s MPPT Reô1., contrôlée encouple Bilan -, If " - illl, "f, Ulssan !,e. n_'_'j.--..____mn.__.- t ^u RegVrrrs ` cosq,y RegVb "'If 'nit ! RegVhll. rt'j ' '-'. !'I P,,,,, : puissance m axim ale extractible (courbe ,I : puissance rnécanique extraite 'r P s q Pelee puissance électrique transférée auréseau couple de consigne de la génératrice 6'.position durotor Bilan puissance :'C. V'ff I "'f.cos (p " f =1,' " f Ipef Pes, rcç bi ( Figi (n 8. Cotit ; -Ôle de Ici piiissaiice préleiée et iiijectée stit- tiii réseciii BT 140 -- ---- --- 120 E MS 750VV i..- --.+-...-..--------- -_._-----+----'----'--- © MS 750W - 1 --_.'___n______------ -- ---'_._m- ---- 120--------------------------- ---- ! D MS 750W i 100 M MAS 7 50VV 1 Ord/s 40 ------ -------...... , : !..-.... - . :... "-[i'-- "'.-'''---- : - :::= :..: -....:----:-: =-=====--- : ---= : =-- IT 1'1 ; ; [} ! j I : : I\ ! iI - - " __m____.. 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 vitesse du vent (mis) Figtirf- 9. Éiiergie É7iiiiiielle ii chéiqt (e ,itesse de veiii. sur le réseau est faible pour cette gamme de puissance (moins de 60 kW). Pour les hautes fréquences, il peut se résoudre grâce au dimensionnement de filtres réseau. Les variations de tension et les effets de flicker sont peu importants, voire négligeables, et la notion de « service système » essentielle pour les plus fortes puissances reste pour l'instant inexistante. Raccordement : le raccordement monophasé est pour l'instant permis en France jusqu'à 18 kVA, mais la situation risque d'évoluer : en Allemagne, la puissance de raccorde- c ment monophasé est limitée à 5 kVA pour le photovoltaïque. Exemple d'un système de puissance raccordé en BT : Dans cet exemple'de stratégie de commande (cf. figure 8), on s'appuie sur une architecture de puissance à deux ponts triphasés contrôlés. Le premier fonctionne en redresseur et se charge de prélever la puissance de la turbine de façon optimale sous une tension de bus continu fixée. Le générateur synchrone peut être autopiloté en couple pour maintenir le système à son point optimal (Cppp kopt) sur une large plage de vitesse de vent. Le deuxième pont est découplé du premier et fonctionne en onduleur. Il permet de régler le flux de puissance moyenne en injectant des courants sinusoïdaux au réseau grâce à un filtre passif f,C qui atténue les harmoniques de découpage. La tension du bus continu (V bus) est également régulée grâce à cet onduleur par une structure de contrôle cascade dans laquelle la boucle interne contrôle les courants alternatifs (1,-,s,,b,,) côté réseau et fixe le facteur 1 L'essai présenté ici estrelatif àuneturbineà axeverticalde 600W à 15iiils, pouilOO ti/iiiiii. Enrevanche, ceschéma de puissance et decontrôlepeuts'appliquerà toutela gammederaccordement enBT. REE NO 5 Mai 2005 Le petit éolien : marchés, applications, architectures et gestion d'énergie de puissance. Le condensateur de bus absorbe une partie de la puissance fluctuante. Cette architecture suppose que la tension alternative est établie par le réseau que l'on suppose donc à forte puissance de court-circuit. Son avantage réside dans la qualité des formes d'onde de courant injectées, dans la stabilité de la chaîne qui offre la possibilité de régler la puissance réactive. Le résultat de simulation de la figure 8 illustre d'une part la capacité du système à prélever une puissance mécanique proche de l'optimum et d'autre part à filtrer les turbulences du vent, grâce à un double stockage d'énergie : cinétique c CD dans la turbine et électrique dans le condensateur de bus. Evaluation technico-économique A la demande d'EDF R&D, nous avons procédé en 2002 à une évaluation technico-économique comparant les 2 types de structures représentées figure 6. L'évaluation s'effectue sur une même voilure type Savonius dans un environnement (gisement) commun : 2 distributions type Weibull sont considérées, pour 2 puissances différentes : 750 W et 7,5 kW : . La première chaîne, à vitesse variable, est détaillée sur la figure 8 v . La deuxième chaîne, à vitesse quasi fixe nécessite un multiplicateur de vitesse : - 750 W : Qde 0 à 250 tr/min, rapport 6,5 - 7,5 kW : Q de () à 75 tr/min, rapport 20 Ce dernier doit être dimensionné selon les statistiques du gisement. Dans cette gamme de puissance, le raccor- dement peut s'effectuer par de simples contacteurs bran- chés au stator de la génératrice. La prise de décision du couplage se base sur la mesure de vitesse de rotation : le contacteur se ferme si la génératrice tourne à une vitesse proche du synchronisme. Afin d'assurer la magnétisation, une batterie de condensateurs est insérée entre stator et contacteurs. Elle est dimensionnée ici pour assurer un facteur de puissance unitaire à vide. La comparaison entre ces deux chaînes porte sur 3 points : les let-titi-batioiis i-éseati : la Structure synchrone n'injecte que des harmoniques de haute fréquence dus au découpage de l'onduleur réseau. Ce problème peut être aisément réglé par l'utilisation d'un filtre réseau. La puissance éolienne est fortement lissée par l'inertie de voilure (cf. courbe de la figure 8). La structure asynchrone, sans électronique de puissance, n'injecte pas d'harmoniques HF. En revanche, étant plus rigide que son homologue, elle est nettement plus sujette au flicker (sensibilité aux turbu- lences, effets d'ombrage du mât...) ainsi qu'aux harmoniques BF (harmoniques d'espaces de la génératrice). Iti pitissance foiti-riie : l'ensemble des pertes du système (multiplicateur, génératrice, chaîne de conversion) est pris en compte dans l'étude. On constate sur la figure 9 que la chaîne synchrone produit annuellement nettement plus que l'asyn- chrone pour chaque vitesse de vent. tin calctil technico-écoiioiiiique s'inspire du guide de l'énergie éolienne [GE-98], basé sur les coûts d'investissement (aérogénérateur, infrastructure, installation électrique de raccordement) et d'usage. La structure asynchrone, bien que moins coûteuse, s'avère moins intéressante que la structure synchrone. En effet, elle produit nettement moins d'énergie que la structure synchrone, et la différence du prix de l'investis- sement ne suffit pas à récupérer la perte de production. D'autre part, l'étude montre que la rentabilité est r e a actuellement très difficile à atteindre sur de tels systèmes, dans les conditions actuelles du coût de rachat du kWh « petit éolien » (8,4 &Euro;/kWh). Cependant, il est important de préciser que la marge d'évolution des coûts est énorme. Conclusion Cet article avait pour but de faire un tour d'horizon sur le contexte, les enjeux et les caractéristiques tech- niques des systèmes éoliens de petite puissance. Il montre que la demande reste pour l'instant limitée et l'offre industrielle insuffisamment développée en terme de performance, dc fiabilité, voire même de soutien logis- tique (aide à l'installation, maintenance...). C'est donc une filière pour laquelle le potentiel de développement est important à condition de mettre suffisamment de moyens pour entraîner une baisse substantielle des coûts. Cet effort passe en premier lieu par une politique natio- nale et européenne volontariste en terme de prix d'achat du kWh. Références [EDF] Veille technologique sur le « petit éolien i dans/'e/ec- trification rurale décentralisée, étude réalisée par EDF R&D Clamart. IGE-981 Guide de l'énergie éolienne. " Les aérogénérateurs au service du développement durable " Collection Etudes et filières, 1998. [FAU-04] X. FAURE, A. STOUKOV,G. HARRAN, A. KOURTA, "Modélisation d'une éolienne à axe vertical par cou- plage champ/circuit ", JET'2004, Marrakech, Maroc, avril 2004. [GER-01 1 0. GERGAUD, B. MULTON, H. BEN AHMED, "Modélisation d'une chaînede conversion éolienne de petite puissance", Electrotechnique du Futur 2001, Nancy, nov. 2001, pp.17-22. [HUL-03] G. HULJACK(EIGSII, O. 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Remerciements Nous tenons pat-tictilièrenient à reiiiercier EDF R&D, pour son soutien dans nos études et pour les clocuiiients qui nous ont aidé à réaliser cet état des lieux (contact.- EDF R&D : olivier. cottrnil@edffr) L'ADEME, pour son soutien dans nos études (contact : E. Peirano : eric.peirano@adeineft) L,équipe EMT2 de l'IMFT (Iiistitbit de iiiécaniqlie des fltiides de Totilouse), avec clui iiotis collaborons sbti- l'optimisation multiphysique de systèmes éoliens de petite taille (contact : gilles.htli-raiiiiiiftfr). Le laboratoire LAAS-CNRS Toulotise avec leqttel nous collaborons sur le couplage éolien-photovol- taiqcce (contact.- vboitierlaasfi-) 1MM-mi Xavier Roboam estdocteurde l'Institut National Polytechnique de Toulouse en spécialité Génie Electrique depuis 1991. Chargé de Recherches CNRS depuis 1992 au Laboratoire d'Électrotech- nique et d'Electronique Industrielle (LEEI, www.leei.enseeiht.fr) de Toulouse, ildirige depuis 1998 l'équipe"SYSTEME " dont l'objectif général concerne "l'approchesystème en Génie Electrique ".À titre personnel,ri focalise ses recherches sur le développement de méthodes de conceptionsystémique (analy- se systémique par lestechniquesBond Graph,optimisation sys- tème) dédiées au Génie Electrique. Les champs d'application privilégiés de ces méthodes concernent les systèmes et réseaux embarqués (transports ferroviaire et aéronautiquet ou lessystèmes à énergierenouvelable. Annexe : Exemples de constructeurs " petit éolien " : source M. Sagrillo. Apples & Oranges.Home Power N'65 Juin/Juillet 1998. L'.l flE fÉ L.7 L. l , : ; , n,r " r rnrh fe h 7 , 21 t-1 r_ - 1 l ,,J Ill.f t r., 1- J it.......1 1r 1,,,11,1 ri1 n 1 T T 1 ri i nW aS sl-=mFY r. _rrti : -rllo I r-mPll ^ Fn nln I -m.u, I I r.7 :.. nLlo nth tmrn nnP6 '...I !.pl._F.I=I w:II ilFd iloc'_5fc-_I `Aafr rltd Si :I-1 tlleF. Sftal `kl 61 -._1E 1-I.d r _I f,n,_I'I. rl.o. -I GI.,.,_7 1 rwl L Li =9L.e,l Ir...1 Iqs _l.lel f,o.-O1 - a, u p ; r o ,I t r... t..n nt I t _ Ir_ _ - m 1 l'I.,..,I ",.,,. " II.-.,r.JI'-, : qlkl ;'I. ;, " 1'. "" " 10 : -1 J'I-e ! [jjl,) i 1I ",r',, " " JII "'JI') I " j " CirOI, ;.r JI,. :, r : J Il'j) 1I t . T Tnl : · :r ..lnln !ar,c _ I n` f : uph I., nL.-. t tun. I..nJV tJOL I:pmn :. t I-.L I :.tnl> I l unl>I _I4'r i 119m71 îIIKq. _.p.f.tnng aJF-IF'n.j Ilr-ry Il ; o- snl2. ( : : ii iJ - :.11 ; m_7 r I-IV y-LI nr`rs_ Tlll.uf. TJln : l. arr,nu-n 7ta.l v.nw4no I tl.or,7 s.mLla J6nyf S11nP17 I6_rt : Ihnt lGrrFM _-LmM Hntl.p ILSre lBC : p6 SwInM . Il. : r._'I :.r. : IV-.__ II^n IL_rY Il ; n- II :.rY. tl...r _ _. i " n7nr tl :.r,. L,n.7m nn- ; ,1'en5.euI, : tr7Y- t.l : rt. '.It :.ur.1 l ;ymde ; ltz : n : . nGy : unls'.y_urdc FmIS t.nx 7.P-unf- tPanls _ J : wnl : I 1 v.u :.nf : e' : bnfa.7 l7ndr. : IVC. II<. hmfari IL-. ; 1-. Ya _Ltr.iu.1nnln.l .rrr P41 PtIC· I po. I J FI,I CLI Fft'NCe GIIP.a,n 11` Fa.t Gtl pux lll.mt II (, "''' Ic'-'. Pl 1 Pr 1 il " Pf'l ti ", Pti Ptl 1 r Il j'Il 1.1 rj. r4 i i r4. ri. r i r'e ;,l 7 -r- pli ____________L.'- ! : t. " *''''Tf [ 't.-.) r,) : J [- : _J Pdrf »sa9 _PIF :.nJrr,IZmI r2 :.r.ul r`Euill_`i :.LA. : nrl Ir.ludJ 6u : in Waulr.P_u=iar : I II __ aI r. . s n o ntn9 IL.u'q u. ___ IL. _, _____ : ".. ;,.'.' ; r'-..i...'L ! -.'_____N.____'f. :. N. :. fJ : J. :. _____N.-. r- N.-. ffr Nr. N.-. N-., REE No 5 Mai 2005