Etude Des Éoliennes

é pour pomper l’eau elle est également à l’origine de l’exploration du monde par des bateaux à voiles. Mais la première éolienne destinée à produire de l'électricité ne fut construite qu'en 1888 par Charles Brush à Cleveland et faisait 17m de haut. Composée de 144 pales d'un diamètre de 17 m, elle ne produisait que 12 kW. C’est également vers la fin du XIXème siècle que Poul La Cour, un météorologue considéré comme l’un des plus importants pionniers de l’éolien, souleva la question du stockage de l’énergie éolienne par exemple, lui-même utilisant l’énergie produite par une de ses éoliennes pour alimenter son école en électricité. Délaissée après la découverte du pétrole, l’énergie éolienne n’est ‘réapparue’ il n’y a que peu de temps, vers les années 80 et avec l’installation de milliers d’éoliennes aux Etats-Unis, installation absurde aux yeux de certains écologistes, mais qui relança l’industrie éolienne. b) Intérêt de la société Grâce à leur processus de conversion de l’énergie cinétique du vent en d’autres formes d’énergies plus utiles, comme en énergie mécanique ou électrique, et en raison sa nature (pas de pollution dans la mesure où elle n’utilise pas carburant et ne produit aucun gaz à effet de serre, de déchets toxiques ou radioactifs), l’éolien constitue une forme d’énergie indéfiniment durable, d’où l’intérêt que lui porte notre société, qui provient du besoin d’élaborer des systèmes d’énergie propre durables et fiables à long terme. Améliorées par les nouvelles technologies comme l’aérodynamique et l’ingénierie, les éoliennes offrent maintenant une énergie fiable, rentable, non polluante pour les applications des particuliers, des communautés et pour les applications nationales.

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A) Présentation

Eolienne de C. Brush à Cleveland en 1888

Eoliennes d'essai de Poul la Cour

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B- a) Composants

Une éolienne classique est composée de trois parties: le mât, la nacelle et le rotor : -le mât peut être considéré comme un poteau en métal supportant l’ensemble des équipements permettant de produire l’électricité (nacelle et rotor). Fixé sur une fondation implantée dans le sol (une dalle en béton) assurant l’ancrage et la stabilité de l’éolienne. Il atteint en moyenne 80 m de haut pour les éoliennes plus puissantes (exceptionnellement jusqu’à 100 m). -le rotor se compose du nez et de l’hélice, plus souvent désignée sous le nom de pales de l’éolienne. Construite avec des technologies dérivées de l’aéronautique, l’hélice possède en général trois pales, plus rarement deux. Aujourd’hui construites avec des matériaux composites à la fois légers et assurant une rigidité et une résistance suffisantes au bon fonctionnement de l’éolienne tels que du polyester renforcé de fibres de verre ou de fibres de carbone, les pales mesurent généralement entre 30 et 55 mètres, pour un diamètre du rotor compris entre 60 et 110 mètres. -la nacelle abrite les équipements produisant de l’électricité à partir de la rotation de l’axe du rotor. Le transport de l’électricité produite dans la nacelle est effectué par des câbles électriques descendant à l’intérieur du mât de l’éolienne jusque sous terre. Grâce à un système de supervision et de contrôle dont sont dotées les éoliennes, il est maintenant possible: d’orienter le rotor de l’éolienne perpendiculairement à la direction du vent de modifier l’angle d’incidence des pales par rapport au vent

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B- a) Composants

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B- a) Composants

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B- b) Production de l’énergie

Sous l’effet du vent s’effectue la rotation du rotor et le fonctionnement de l’alternateur dans la nacelle, avec pour résultat la production d’électricité. Mais pour cela, la vitesse de rotation du rotor (de 12 à 15 tours/minute) est augmentée par un multiplicateur de vitesse jusqu’à environ 1 500 tours/minute, vitesse nécessaire au bon fonctionnement de l’alternateur. Après un ajustement de la fréquence du courant produit par l’éolienne à celle du réseau électrique auquel elle est raccordée (50 Hz en Europe), la tension de l’électricité produite par l’alternateur, de l’ordre de 600 à 1 000 volts, est élevée jusqu’à un niveau de 20 000 ou 30 000 volts, niveau de tension permettant l’acheminement de l’électricité produite par chacune des éoliennes d’une ferme éolienne jusqu’à un point de raccordement au réseau électrique public (en France, le réseau EDF).

Vent

Energie cinétique

Rotation du rotor

Energie mécanique

Alternateur

Energie électrique

Il n’existe pas de formule précise pour calculer la production électrique d’une éolienne, mais nous pouvons en définir une approximative, prenant en compte divers facteurs environnementaux : P = 1/2*r*A*V3 *Cp avec: r la masse volumique de l’air (1,225 kg/m3 à 15°C et 1013 mbar) A la surface balayée par le rotor (m2) V la vitesse du vent (m/s) Cp le coefficient de performance (sans unité) Page 1 – 2 – 3

Source EDF

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Source EDF

B- c) Stockage de l’énergie

Il est très difficile de stocker l'électricité, c’est pourquoi la majeure partie de l’énergie éolienne est utilisée très peu de temps après sa production. L'utilisation de batteries étant une solution encore trop coûteuse par rapport aux résultats obtenus, elle n’est pour le moment pas suffisamment rentable pour stocker de grandes quantités d’électricité. En France, on utilise donc les prévisions météorologiques pour intégrer efficacement la production éolienne sur le réseau et faire monter en puissance les centrales de substitution (centrales thermiques notamment) lorsque le vent disparaît. Les solutions que nous allons découvrir s’appliquent donc essentiellement à des éoliennes isolées ou à des fermes éoliennes peu importantes:

Le stockage de l'énergie par remontée de l'eau: de l'eau est pompée et remontée vers des barrages hydroélectriques lorsque l’éolienne produit de l’électricité sans qu’il n’y en ait besoin. Les accumulateurs à circulation au vanadium: un accumulateur de nouvelle génération, également appelé accumulateur à circulation au vanadium stocke l’excédent d’énergie produit lorsque les éoliennes produisent plus d’électricité que les habitants n’en ont besoin. L’accumulateur restitue alors l’électricité emmagasinée lorsque le vent faiblit. Ce système est efficace étant donné qu’il permet la restitution durable de 80% de l’énergie qui a servi à le charger. De plus, la durée de vie de ces accumulateurs dépasse de deux à trois ans celle des batteries plomb acide.

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B- c) Stockage de l’énergie

Une batterie sodium soufre de 80 tonnes: une batterie géante pour stocker l‘électricité produite par une éolienne va être prochainement testée par une société américaine. Avec une unité de stockage au sodium soufre pesant 80 tonnes, ce sont 7,2 MW. Heure qui peuvent être stockés, de quoi alimenter 500 foyers pendant 7 heures environ. Mais son prix (5,4 millions de dollars) est trop élevé pour envisager un développement immédiat de ce projet.

Stocker l'énergie éolienne sous la forme d'hydrogène : des expérimentations sont menées pour emmagasiner l'énergie éolienne en la convertissant en hydrogène stockée sous terre dans de grands réservoirs. Pour obtenir l'hydrogène, l'énergie générée par les aérogénérateurs est conduite à un électrolyseur qui décompose l'eau à l'aide d'un courant électrique en hydrogène et en oxygène. L'hydrogène est ensuite réinjectée dans une turbine à hydrogène qui entraîne la génératrice de l'éolienne lorsque celle-ci est au repos. Le stockage sous forme d'air comprimé: un groupe énergétique allemand envisage de coupler ses parcs éoliens offshore avec une centrale de stockage d'air comprimé pour résoudre les problèmes de stockage.

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C- a) Influence de l’environnement

L’énergie éolienne résultant du vent, certaines personnes considèrent que l’énergie éolienne est avant tout solaire. En effet, il n’y a du vent que lorsque les variations de température sont importantes, ce qui implique presque nécessairement le soleil. Mais d’après la formule donnant la quantité d’électricité produite par une éolienne, le seul facteur non constant reste la vitesse du vent. Lors de la construction