Introduction à l'énergie éolienne

21/10/2017
Auteurs : Bernard Paluch
Publication REE REE 2005-5
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2005-5:20536
DOI :

Résumé

Introduction à l'énergie éolienne

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L'ÉNERGIE ÉOLIENN Introduction m à l'énergie éolienne M Par Bernard PALUCH Département Mécanique des Structures et de l'Endommagement, ONERA Mots clés Energie éolienne, Ressource, Aérodynamique, Développement durable En tête du peloton des énergies renouvelables, l'énergie éolienne concerne essentiellement la production électrique de masse. Il s'agit de machines destinées à fonctionner dans des conditions d'exploitation très fluctuantes, liées à la nature même de la ressource. Ainsi, hors de son champ d'expertise l'électricien, s'il désire même de la ressource. Ainsi, r aborder ce domaine, se doit-il de posséder un minimum de connaissances, présentées de façon synthétique dans cet article, qui dresse aussi un bilan de la situation. 1. Introduction La situation énergétique mondiale actuelle n'a jamais été aussi paradoxale. Aujourd'hui l'offre d'énergie est très abondante et principalement dominée par les énergies fossiles, dont les experts prévoient néanmoins le tarissement à l'horizon 2060. Cette abondance entraîne une concur- rence très forte sur les prix, relayée par une demande toujours croissante, surtout de la part de pays économi- quement émergents, comme la Chine par exemple. Parallèlement, nous assistons à une prise de conscience des risques environnementaux dominés par l'effet de serre, faisant peser sur les générations futures une contrainte climatique de plus en plus forte. Dans ce contexte, de nombreux gouvernements accordent aux énergies renouvelables une sorte de priorité morale, par ailleurs nettement affirmée durant les conférences de Rio de Janeiro et de Kyoto. La plupart des scénarios du Conseil mondial pour l'énergie et des Nations Unies prévoient que les énergies renouvelables représenteront de 20 à 50 % du total des énergies primaires dans le monde vers la fin du siècle. Parmi celles-ci, l'énergie éolienne devrait connaître, et connaît déjà, la progression Zn la plus forte. La conception, la fabrication, l'implantation et l'utilisation des éoliennes relève de compétences pluri- disciplinaires qui sortent très largement du champ d'application réservé au seul génie électrique. Dès lors qu'il s'intéresse à l'énergie éolienne, l'électricien se doit, u c q E 5 5 NT/EL SYNOPSIS Parmil'ensemble des énergies renouvelables,l'énergie éolienne connaît la progression la plus forte. La CEE,et plus particulière- ment l'Allemagne,sont en tête du peloton mondial.De nombreux pays envisagent maintenant l'exploitation des ressources off shore afin d'éviter une saturationdes sites terrestres. Les machinesà axe horizontalet rotor tripales dominent très lar- gement le marché. La tendance est aux machines muttiméga- watts avec des rotors dépassant 80 m de diamètre. L'énergie éolienne bénéficie de technologies arrivées à maturité, car de moins en moins coûteuses et facilement exploitables.Cependant de nombreuxdéfis technologiques restent encoreà relever. Danscertainspays,l'obligation de rachatdu kilowatt heureéolien à des tarifs incitatifs a permis l'émergenced'un secteur industriel à partentière,générateurd'emplois et exportateur.Dansle cadre d'un développement durable, la pérennité de cette filière a des retombéesdirectes sur les économies locales. Among ail the renewable energies, windenergyknows the stron- gest progression.The EEC,and more particularlyGermany,are at the world top position. Many countries now consideroffshore as an alternativeto landsites saturation. The three-bladed horizontalaxis wind turbines largely dominate the market. The tendency lies now in the multimegawatts wind turbines exceeding80 m lndiameter.Wind energytakes beneflts from mature technologies,sincethere are less and less expensi- ve and easilyexploitable.Howevermanytechnological challenges still remain to raise. ln some countries, the obligationto buy the electricity produced by wind energy at attractive rates allowed the growth of a wind industrial sector, exporting technologies and generating employ- ment. Within the framework of sustainable development, the resource durability has direct repercussionson the local econo- mies. REE Nu 5 Mai2005 . DOSSier) L'ÉNERGIE ÉOLIENNE hors de son champ de compétences, d'être en possession d'un minimum de connaissances ou d'informations lui permettant d'aborder ce domaine. Et ce, loin des débats trop souvent passionnés qu'elle suscite actuellement au sein de l'opinion publique. Après un bref historique, montrant que l'utilisation de cette énergie à des fins de production électrique n'est pas aussi récente que l'on serait tenté de le croire, quelques repères chiffrés permettront au lecteur de se faire une idée plus précise de la place qu'elle occupe dans le monde. Quelques notions théoriques de base concernant l'exploitation de la ressource ainsi que le principe de fonctionnement des machines permettront ensuite de mieux appréhender les enjeux technologiques ainsi que les problématiques économiques et sociétales propres à l'exploitation de ce type d'énergie. Les aspects propres a e CD relevant purement du domaine du génie électrique ne c seront pas traités ici, le lecteur pouvant largement puiser dans les autres articles de ce dossier. 2. Un peu d'histoire L'utilisation de l'énergie éolienne à des fins utiles est plus que millénaire, mais l'apparition des premières machines destinées à la production d'énergie électrique remonte à la fin du XIX' " "siècle. Deux inventeurs en sont les précurseurs et, bien qu'éloignées géographiquement, leurs expériences furent menées avec succès sur des machines semblables aux éoliennes modernes. C'est en 1888 à Cleveland, dans l'Ohio, que l'industriel en génie électrique F. Brush conçut et construisit pour la première fois une machine capable de produire 12 kW en courant continu. Cette éolienne possédait un rotor de 17 in de diamètre, composé de 144 pales, érigé sur un pylône de 18 m de hauteur. L'orientation de l'ensemble étant assuré par une gouverne rectangulaire de 18 m x 6 m. Cette machine fonctionna pendant plus de 20 ans sans problèmes majeurs, mais l'expérience demeura malheureusement sans suite immédiate. Il en va tout autrement du danois Paul La Cour, météorologiste et directeur d'une école publique qui, presque simultanément (en 1890), débuta ses expériences en convertissant des moulins à vent traditionnels en systèmes de production d'énergie élec- trique. Fidèle au concept Danois des moulins à vent, il conserva un rotor muni de quatre pales, vrillées et de forme rectangulaire. Il conçut les premières machines, d'une puissance de 5 à 25 kW pour les besoins de l'agriculture et des installations urbaines. Fort de son expérience, La Cour fut alors capable d'énoncer quelques règles fondamentales afin d'optimiser les performances du rotor et réussit à mettre au point des machines mieux adaptées à la production d'électricité. Il donna aussi des cours sur l'énergie éolienne dans son école d'Askov, et plusieurs de ses anciens élèves construisirent par la suite des éoliennes bipales et tripales durant la seconde guerre mondiale. En 1918, quelque 120 communes danoises possédaient des éoliennes d'une puissance allant typiquement de 20 à 35 kW, pour un total d'environ 3 MW installés. Durant rentre-deux-guerres, d'autres pays se lancèrent dans la fabrication de machines de grandes tailles, directement dérivées des technologies uti- lisées dans l'industrie aéronautique : l'URSS (Balaclava, 1933, 100 kW, 30 m de diamètre) et les Etats-Unis (Putman, 1939, 1,25 MW, 54 m de diamètre). Cependant ces réalisations resteront isolées. Il faudra attendre l'après-guerre pour que des projets ambitieux redémarrent, essentiellement en Europe de l'Ouest (en France au début des années 60 avec les sociétés BEST et Neyrpic, en Angleterre et en Allemagne), mais principalement au Danemark. En 1956-57 la société danoise FLS (une cimenterie), qui n'en était pas à son premier coup d'essai, érigea sur l'île de Gedser, une éolienne (figure 1, à gauche) de 200 kW équipée d'un rotor tripale de 25 m de diamètre, qui tourna sans intervention majeure de 1958 à 1967. Cette machine aujourd'hui parfaitement conservée, préfigure le concept actuellement dominant (quelquefois appelé concept danois, figure 1 à droite) : un rotor tripale monté sur un mât cylindro-conique en métal (et non plus en béton comme à l'origine). Héritier d'une tradition séculaire et d'une solide expérience, il n'est donc pas étonnant que le Danemark soit aujourd'hui devenu le premier producteur mondial d'électricité d'origine éolienne (environ 20 % en 2003), par la part qu'elle occupe dans sa production totale. Bien entendu, d'autres pays ont rattrapé, voire dépassé, le Danemark en termes de puissance installée, mais dans la majeure partie des cas, ce sont les Danois qui ont fait profiter les autres pays de leur expérience. Ces vingt dernières années, l'énergie éolienne a donné naissance à une véritable industrie [1]. .." " f 1 1 / S 1 1 1 m ,-,'. -1 3 1 11 .i 11 -1 1 1 ,4<, , > >, , 1 1 % Figiii-e 1. A gcii « Iie : 1,éolieiiie de Ged.er. A droite : iiiîe ceiitl-cile éolieiiiie c-oiiteiiiloi- (iiiie. 3. Spécificités liées au mode de production Il faut bien être conscient que la production électrique d'origine éolienne ne peut être considérée que comme un complément, et en aucun cas une substitution aux REE Ns Mai2005 Introduction à 'énergie éolienne moyens « classiques » de production, en raison du caractère fluctuant de la ressource (le vent). Malgré cela, les installations éoliennes présentent des avantages indéniables par rapport aux moyens de production conventionnels : . ressource " inépuisable " (tant que le soleil brillera au firmament pour actionner la machine thermique atmo- sphérique) et " gratuite " (l'investissement mis à part), . faible occupation des sols (par exemple dans les polders allemands, au bord de la mer du Nord, les vaches continuent de paître paisiblement parmi les machines), . aucune pollution des sols, . technologie facilement maîtrisable et donc acces- sible à de nombreux pays, génération d'emplois (fabrication, surveillance et maintenance), . revalorisation totale des sites après un démantèlement des installations, . faible coût de maintenance (dans le cas de techno- logies éprouvées), et bien d'autres encore. Cela ne va pas, bien entendu, sans quelques inconvénients : . production fluctuante, donc non garantie, . choix restreint des sites d'implantation terrestre à grande échelle (surtout dans des pays à forte densité de population comme les nôtres), mais pouvant être relayé par l'off shore, . impacts visuel et sonore (tantôt maximisés ou minimisés, selon les courants d'opinion et le degré d'information du public). La décision d'implanter des éoliennes peut relever d'un choix de société ou, plus prosaïquement, d'une réelle volonté d'indépendance énergétique. A ce titre, la Commission européenne, dans un de ses nombreux rap- ports d'experts, a différencié deux types de marchés conditionnant le développement de l'énergie éolienne. Le premier piloté par des préoccupations d'ordre environne- mental et caractérisé par : . une très forte incitation politique due à la volonté de réduire les émissions de CO, . des sources de financement abondantes, . un faible besoin de capacité de production addi- tionnelle, . une obligation de rachat, par les distributeurs, du kWh d'origine éolien à un tarif fixé par décret gou- vernemental. De manière à favoriser, dans un contexte d'économie libérale, le développement d'une filière industrielle de l'éolien. Ce marché concerne les pays de la CEE, et aussi le Canada, l'Australie et le Japon. Le second gouverné par des considérations économiques : . production d'énergie électrique fortement dépendante des importations d'énergies fossiles, et donc très sensible aux fluctuations des cours des produits pétroliers, demande énergétique amplifiée par une croissance économique forte et incapacité du parc productif existant à satisfaire cette demande. A ce stade, il convient aussi de distinguer, comme le fait l'ADEME [131, deux catégories de moyens de pro- duction : . le petit éolien : machines d'une puissance comprise entre quelques kW et 50 kW, principalement desti- nées à l'électrification des sites isolés, . le grand éolien : machines d'une puissance comprise entre plusieurs centaines de kW et quelques MW regroupées, pour la plupart, en fermes éoliennes composées de plusieurs, voire plusieurs dizaines d'unités. Pour des raisons de rentabilité, c'est ce dernier qui domine le paysage énergétique éolien actuel. 4. Quelques repères Avant de rentrer dans des considérations plus tech- niques, il est toujours intéressant d'avoir quelques chiffres en tête. Rang Pays 2002 2003 Capacité taux de installée crois- en 2003 -sance MW MW MW % 1 CEE =- 8=676 5 377 23,1 2 USA 4645 6370 1 725 37,1 3 li-ide 1 702 2 110 408 24,0 4 Chine 468 567 99 2112 5 Japon 384 401 17 414 6 Canada 236 317 81 3413 7 Australie 104 197 93 89,4 8 Norvège 97 198 101 104,1 9 Costa Rica 71 71 0 10 Egypte 69 69 0 11 Mai-oc 54 54 0 12 Ukraine 46 57 11 13 Nelle Zélande 35 37 14 Pologne 29 60 31 15 Argentine 27 27 0 16 Brésil 22 241 2 17 Autres 651 701 5 Totatixl3l 353 139 3051 79 Tcibleali 1. Puissance installée dans le monde (sotirces : Woi-Id Wiiid Eiiel-gy Associ (itioii & El (i-Obsei-v'ER). Le tableau 1 présente les dernières statistiques conso- lidées établies par la World Wind Energy Association pour les années 2002 et 2003. En termes de puissance ins- tallée, ce sont les pays de la CEE qui demeurent largement REE N 5 Mai 2005 L'ENERGIE EOLIENNE en tête du peloton. Non seulement, ils rentrent dans la première catégorie de marché évoquée plus haut, mais il ne faut pas oublier que la CEE a imposé à l'ensemble de ses pays membres, d'ici à l'horizon 2020, d'assurer au moins 15 % de la production électrique à partir des énergies renouvelables. Viennent ensuite les USA où le taux de progression est cependant plus faible que dans de nom- breux autres pays, car la situation y est beaucoup plus contrastée. En effet, il n'existe pas de politique globale à l'échelle du pays. La progression dépend des politiques d'incitation de chaque Etat, et seuls quelques-uns demeurent pionniers en la matière (tel la Californie). Raii (y Pays 2002 200'1 Capacité taux de installée crois- en 2002 -sance MW MW MW % 1 Allemagne 11 994 14609 2615 2118 2 Espagne 5042 6411 1 369 27,2 3 Daiieinark 889 1101 221 7,6 4 Italie 788 904 116 14,7 5 Pays-Bas 685 910 225 32,8 6 Gde Bretagne 552 648 96 17,4 7 Suède 328 ) 99 71 2116 8 Gi-èce ) 02 J901 88 2911 9 Portugal 194 301 107 55,2 10 France 153 253 100 65,4 Il Eii-e l) 8 187 49 ) 5151 12 Autriche 139 415 276 198,6 13 Finlande 4 l 8 1816 1 14 iBeloiqLie'c5 67 9114 1 15 ILuxciiibourg 16 22 6 37,5 Totaux 12- 298128 6771 5 3 T,ible (iii 2. Pitissaiic-e iii.çtcillée dciiis les I ? as de la CEE (soiii- (-e - Elii-Obse- ?'ER). Pour le néophyte, le cas de l'Inde peut paraître sur- prenant. Toutefois, voici l'archétype même du pays dont le marché repose sur des considérations économiques et d'indépendance énergétique. L'Inde n'a en effet pas hési- té à mettre en oeuvre une politique volontariste et à bâtir (avec l'aide des Danois) une industrie de l'énergie éolien- ne, de manière à pallier le manque d'infrastructure de dis- tribution par exemple. A l'opposé, le Japon et l'Australie ont plus des préoccupations d'ordre environnemental. Le Japon est un pays dominé par le nucléaire civil, et les Australiens ont une conscience aiguë de la protection de l'environnement et disposent d'immenses étendues ven- tées et inhabitées, propices à l'installation de fermes éoliennes. Le cas de la Norvège semble en apparence plus paradoxal, car la majeure partie de la production est d'origine hydro-électrique, et seul un souci permanent de protection de l'environnement permet d'expliquer un taux de croissance aussi élevé. Il est tout de même inté- ressant de noter qu'à la fin de l'année 2003, la puissance mondiale installée représentait l'équivalent de la production d'un peu plus d'une quarantaine de tranches de centrales nucléaires de 900 MW. En se focalisant maintenant sur l'Europe (tableau 2), on s'aperçoit que le Danemark (pays pionnier en la matière) se trouve depuis quelques années très nettement distancé par l'Allemagne et c l'Espagne. c Rang Pays 2003 Nombre Puissance ZD d'habitants MW millions kW/hab -1 ) 84 0578 1 Danemark 3110 110 51 1 iallemaune 14609 8215) 7 01177 Espagne 64111 41,551 0,154 4 Pays-Bas 910 16,193 0,056 5 Autriche 415 8,067 0,051 6 Luxembourg 22 0,463 0,048 7 leire 187 -31964 01047 8 Suède') 991 8,941 0,045 9 Grèce ) 90 ll,006 0105 10 Portugal 301 10,407 0,029 Il Italie 904 57,) 80 01016 12 GdeBretagne 648 59,380 0,011 59, 01011 13 Finlande 51 5>206 O010 14 Bela.ique 671 io ") 561 01006 15 France 253 59,635 0,004 Tcibleaii 3. Piiissaiice iiisttillée pa- liiibitaiit en Etti-ol) efiii 2003. Si la progression est devenue plus faible, en raison d'une saturation progressive des sites terrestres exploi- tables, il n'en demeure pas moins que le Danemark est actuellement le seul pays à avoir atteint ses objectifs en termes de production électrique à partir des énergies renouvelables, et s'est maintenant lancé dans l'exploitation de son potentiel off shore. Pour s'en convaincre, un excellent indicateur (tableau 3) consiste à diviser la production annuelle par le nombre d'habitants. Depuis plus de 10 ans, l'Allemagne (comme l'Espagne) mène une politique qui l'a propulsée en tête du peloton mondial, 5 % de sa production nationale d'électricité en 2003 ayant étant assurée par l'éolien. La France, quant à elle, ne se place qu'au dixième rang. Mais, après une certaine stagnation, il semblerait qu'elle veuille maintenant rattraper son retard. Dans notre pays, la situation demeure toutefois très contrastée (tableau 4), puisque deux régions dominent le paysage éolien : le Langucdoc-Roussillon et le Nord- Pas-de-Calais, qui totalisent respectivement, à elles seules, REE '\' - ;\) Mai2005 Introduction à énergie éolienne Rang Région Puissance MW 1 Languedoc Roussillon 120,13 2 Nord-Pas-de-Calais 61,53 3 Bretagne 26,251 4 Rhônes Alpes 2C>85 5 Midi-Pyrénées 2.) 160 6 Pays de Loire 19,50 7 Corse 18>00 8 Picardie 15,25 9 Limousin 9100 10 Basse-Nori-nandie 7150 11 Champagne-Ardennes 1150 12 PACA 0>85 13 Ile de France o06 14 ICentre 0102 Total France métro£olltainel DEO : M-TOM 1 18,001 Tableau 4. Puissance installée en Fraiicefiii 2004 (source.'ADEME). 37 et 29 % de la puissance installée. Dans la première région, c'est le département de l'Aude qui, dès le début des années 80, a été précurseur en la matière et demeure toujours le département détenant la plus grosse part de la production nationale d'origine éolienne. Ce n'est pas un hasard si ces deux régions sont actuellement en tête du peloton français : ce sont celles qui bénéficient des meilleurs gisements éoliens (plus particulièrement l'Aude), et des politiques volontaristes des communes, relayées par les Conseils régionaux. 5. La ressource Le vent n'est pas autre chose que de l'énergie solaire. En effet, lorsque l'on regarde de plus près le bilan radiatif moyen de la terre (figure 2), on s'aperçoit qu'il est excédentaire à l'équateur (le rayonnement solaire apporte plus d'énergie que la terre n'en réémet vers l'espace) et déficitaire aux pôles. Ce déséquilibre thermique est donc compensé par deux types de circulations : océanique et atmosphérique. Bien que le transfert convectif (le transport de chaleur de l'équateur vers les pôles) soit principalement le fait des courants océaniques, l'atmosphère joue aussi un rôle de premier plan. Cependant le transfert convectif atmo- sphérique ne s'établit pas selon un axe Nord Sud car, d'une part, la terre tournant sur elle-même les masses d'air, lors de leur déplacement, sont déviées par la force de Coriolis. D'autre part, des considérations physiques 300F "" raWatnF (w%m2) salanre 200 100 I I 100 © pôle 60°N 38°N 30°N équateur 13B- ' o pôle 60°N 3B°, " J 30°0'1 équateur L.atitude Figure 2. Bilan theriiiiqite de la terre en fonction de la latitude d'exposition. (que nous n'exposerons pas ici) font que la terre peut sché- matiquement se diviser en zones de circulations dites pri- maires, séparées par des ceintures de basse et de haute pressions, chaque zone ayant son régime de vents propre [2] (figure 3) : . les alizés, caractéristiques de la zone intertropicale, . les vents d'ouest (dans l'hémisphère Nord), caractéristiques des zones tempérées, . les vents polaires. A ces circulations, qui affectent l'ensemble du globe, se superposent des circulations dites secondaires (à l'échelle d'un continent), dont le meilleur exemple est donné par le régime des moussons, propre au sous-continent indien et à l'Asie du Sud-Est. A l'échelle d'une région prennent aussi naissance des circulations dites locales, telles que : les brises (au bord de la mer ou des grands lacs, notamment africains), cnts polaires d'Est ^e Pelaire 60°N p zonesubpoiairc ventsC'Ouest i /'zane tcmpérée . '//-YJ zonetempé,ée ventsd Ouest/ 1 30 "N/f. _-- /) \2one subtropicale FNizes/ - \ze.netropica!e 30- N HP 0. ZCLT HP HP BP 30°S, HP H \P 1 Figiire 3. Les Différents tpes de circtilatioiis priiiaires. REE Ne5 Mai2005 s s i e r L'ÉNERGIE ÉOLIENNE les foehns'résultant de mouvements ascendants (masses d'air humide), puis descendants (masses d'air sec) au-dessus des massifs montagneux. Ces vents soufflent dans le massif alpin bavarois, et aussi dans d'autres massifs, notamment les Rocheuses où les Indiens l'ont appelé Chinook, . les vents d'origine katabatique " résultant essentiel- lement du déplacement des masses d'air froid par gravité, par exemple dans les vallées montagneuses ou sur les des inlandsis du Groenland ou de l'Antarctique. La superposition de ces trois types de circulations donne naissance à un paysage éolien très varié, dans la mesure où, dans certaines régions du monde, le vent souffle plus fort et plus régulièrement que dans d'autres. Le potentiel annuel de certaines zones sera donc plus favorable à l'installation de machines que d'autres. À un endroit géographique donné où une machine est susceptible d'être installée, quatre paramètres (dits atmosphériques) caractérisent l'état de l'atmosphère : . la pression p, exprimée en hectopascals (hPa), l hPa lOON/nr, . la température 0, exprimée en degrés Celsius, . le degré d'humidité relative h., exprimé en %, . la vitesse du vent V exprimée en m/s (et son orientation). Les deux premiers ont une influence prépondérante sur la masse volumique p de l'air (exprimée en kg/m') qui peut être calculée d'après la formule des gaz parfaits (loi de Mariotte) : p RT R étant la constante des gaz parfaits (R = 287,05 J kg'K') et T la température en kelvin (T = e + 273,16, e en'C). Calculons maintenant la puissance maximale qu'il serait théoriquement possible de récupérer à partir de l'énergie cinétique du vent. Soit un disque D, de diamètre élémentaire d (figure 4). s i i \ D i l \ W I \ i I I VI " " " n si ,, ; I _i '\ '/ d d Soit VI la vitesse du vent en amont du disque, et V2 sa vitesse en aval. Supposons que lors de son passage à travers D, le vent cède une certaine quantité d'énergie E telle que : E = 1, (, 2 _ 1,- 2) Il 1 1 2 (2) m étant la masse du volume d'air traversant le disque. Le débit massique d'air q vaut : dm q =- = p s (Pl - 1,2) di ce qui donne, pour la puissance récupérable : p