II) L'énergie éolienne est-elle exploitable comme source d'électricité ?


Les éoliennes peuvent, grâce à la force du vent, produire de l'énergie. Mais quel est le processus qui permet cela ?

A) Fonctionnement mécanique de l'éolienne

1) La création des vents

Ceci n'est certes pas le sujet de notre TPE, mais comment parler d'éoliennes sans parler de vent. Nous allons donc expliquer brièvement comment les vents se forment.

La Terre reçoit de l'énergie solaire de manière inégale. L'atmosphère de la terre est constituée de gaz, qui sont principalement de l'azote et de l'oxygène. Ces gaz qui constituent notre air vont être chauffés par les rayons du soleil, mais de façon non uniforme, principalement à cause de la forme sphérique de la terre. L'augmentation de la température fait diminuer la densité de l'air et entraîne ainsi son élévation vers les hautes altitudes (12km). Au niveau de l'équateur, la chaleur est plus forte car les rayons solaires touchent la Terre à angle droit.



Cellule de convection

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On observe alors une diminution du nombre de molécules d'air au sol à l'origine d'une dépression. Les régions situées au nord et au sud de cette zone sont plus concentrées en molécules d'air, elles possèdent une pression plus élevée. Les molécules se déplacent donc vers des zones où la concentration en molécules d'air est moins élevée. Cela génère un mouvement des masses d'air des zones de haute pression (HP) vers des zones de basse pression (dépression): c'est le vent.

On peut observer que les vents sont déviés vers la droite dans l'hémisphère nord et vers la gauche dans l'hémisphère sud. Ceci est dû à la force de Coriolis liée au sens de rotation de la Terre. Ce qui explique aussi que la vitesse du vent est plus faible la nuit, où elle varie peu, que le jour, où ses variations sont importantes. Cette vitesse est à son maximum entre 13h et 17h en hiver et entre 14h et 18h en été.

Il existe aussi des frictions entre le sol et les masses d'air déplacées qui auront modifié leurs trajectoires aux abords des reliefs rencontrés. En effet, quand une chaîne de montagnes se dresse devant ces masses d'air, il se forme des turbulences.

2) La production d'énergie mécanique

Les éoliennes transforment l'énergie cinétique du vent en énergie mécanique puis en énergie électrique pour certaines.

1: L'énergie cinétique

C'est l'énergie fournie par le vent. Cette énergie varie en fonction de la masse et la vitesse d'un certain volume d'air. La masse volumique de l'air étant constante.

Ec = 1/2 x m x V²

Ec : énergie cinétique en joules (J)
m : la masse du volume d'air en kg
V: la vitesse instantanée du vent en m/s-1

Si on prend le cas d'une éolienne de 64 m de diamètre comme à Fauquembergues, le volume en m3 est égal à la vitesse instantanée de l'air multipliée par la surface S en m² du cercle formé par les pales.

S = 32² x multiplié par = 3217 m²

De plus, si l'on prend la vitesse de 60km/h-1, vitesse du vent pour le fonctionnement maximal de l'éolienne, c'est à dire 16,6 m/s-1


Le volume d'air qui passe à travers l'éolienne en une seconde sera donc égal à

3217 x 16,6 = 53.4 x 10^3 m3


De plus p = m / v

m : la masse en kg,
v : le volume en m3
p : la masse volumique de l'air en kg/m-3

On prend p = 1,25 kg/m-3 dans les conditions normales de température et de pression


Donc m = p x v = 1,25 x 53.4 x 10^3 = 66.75 x 10^3 kg

or Ec = ½ x m x V² = 9196815 J

et 1 MJ = 278 Wh

Le vent fournit donc 9,197 MJ, soit environ 2557 Wh.


2: L'action du vent sur les pales

Ce qui est dit sur l'action du vent est vrai quelque soit le nombre de pales de l'éolienne à axe horizontal.

La résultante des actions du vent sur les pales d'une éolienne à axe horizontal peut être décomposée en 2 forces :

-> P : perpendiculaire à la direction du vent
-> T : appelée traînée, qui a la même direction que le vent


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Dans le cas présent, on obtient :

- 2 forces T1 et T2 parallèles et de même sens, qui déplacent le rotor par un mouvement de translation dans le sens du vent
- 2 forces P1 et P2 parallèles et de sens opposé, elles sont toutes deux perpendiculaire à la direction du vent

Les résultantes des forces qui s'exercent sur chacune de ces pales, notées R1 et R2, appliquent une force qui permet de faire tourner le rotor. Il faut donc que les pales puissent s'incliner et soient torsadées afin de capter un maximum de vent.

3: La puissance récupérable

En théorie, la puissance récupérable par un dispositif, ici une éolienne, de surface S (en m²) est, si l'on considère que la vitesse du vent est constante en tout point de cette surface et que le volume d'air VS en m-3 est celui qui traverse la surface S en 1 seconde ;

P = ½ ( VS x p )V²

V : en m/s-1
S : en m²
p : en kg/m-3
P : la puissance récupérable en Watts

Donc P = ½ x p x S x V^3

 

Mais si toute cette énergie était captée, il n'y aurait plus de vent derrière les pales de l'hélice, ce qui n'est jamais le cas. Betz, un scientifique allemand, a montré dans son livre Wind-Energie de 1926 que le maximum d'énergie récupérable est égal à 16/27 de la puissance théoriquement récupérable, c'est-à-dire environ 59%.

 

eolienne

Si l'on prend comme pour le calcul de l'énergie théoriquement produite,


p = 1,25 kg/m-3
S = 3217 m²
V = 16,6 m/s-1

L'énergie réellement récupérable sera donc :

P = 16/27 x ½ x 3217 x 16,6^3 x 1.25 = 16/27 x 9,197 MJ
= 5,45 MJ = 1515 Wh



B) Transformation de l'énergie mécanique en énergie électrique et distribution


1) Les éléments utiles à la production d'énergie électrique

eolienne

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1: L'aéromoteur

L'aéromoteur comprend trois pales (il peut aussi en avoir deux sur certaines éoliennes). Il est pourvu d'un système de régulation qui permet à l'hélice d'avoir une fréquence de rotation stable à partir d'une certaine vitesse du vent. Il est aussi muni d'un système de freinage afin de stopper l'hélice en cas de vents trop rapides.

2: Le mât

Le mat a aussi un rôle très important et un fonctionnement très simple. En effet, il reste fixe et doit soutenir l'aérogénérateur. Il faut qu'il soit assez haut pour que l'aérogénérateur ne se trouve pas exposé à des perturbations dues au relief ou à la végétation. Le mât doit aussi supporter des surcharges dues, entre autre, au givre et sa conception doit permettre l'entretien et les vérifications faciles.

3: Le générateur électrique

Le générateur se situe dans le prolongement de l'axe de l'hélice est mis en mouvement lorsque cette hélice tourne. Entre l'hélice et le générateur, on trouve un multiplicateur de vitesse car l'hélice tourne en moyenne de 10 à 60 tours par minute et doit entraîner le générateur à tourner à une vitesse moyenne de 1000 à 1500 tours par minute.

Il existe deux types de génératrices:


- les génératrices synchrones ou alternateurs :

Ces génératrices tournent à une vitesse variable en fonction de la vitesse du vent. Ceci produit du courant à voltage et fréquence variable. Ce " mauvais " courant alternatif car irrégulier doit être redressé en courant continu qui doit être encore transformé en courant alternatif de voltage et de fréquence constants par un onduleur. Cette technique de vitesse variable est utilisée par les propriétaires d'éoliennes domestiques qui ne sont pas raccordées au réseau électrique pour une utilisation le plus souvent directe (sinon, ce n'est pas rentable). Mais elle est aussi de plus en plus courante dans les parcs éoliens car les appareils de transformation de courant sont de moins en moins coûteux.

- les génératrices asynchrones :

Elles produisent grâce à un champ magnétique du courant directement utilisable, c'est à dire à fréquence constante. Ces génératrices sont utilisées sur des éoliennes reliées directement au réseau de distribution électrique.

Les éléments 4 et 5 ne sont présents que sur les éoliennes domestiques (comme celle de Norrent-Fontes que nous sommes allés visiter) non raccordées au réseau électrique.

4: Des batteries afin de stocker l'énergie produite

Ces batteries, le plus souvent en plomb (ces batteries sont en effet les plus faciles et les moins coûteuses à utiliser pour des centres isolés) stockent une partie de l'énergie produite, autrement, l'électricité ne serait disponible que par temps venteux.

5: Le dispositif de contrôle

Il est aussi très important car les batteries en plomb sont très sensibles aux surcharges. Il faut donc créer un système permettant de faire fonctionner plusieurs batteries en même temps pour éviter ces surcharges.

6: L'utilisation

L'utilisation dépend du type de générateur.

2) De l'éolienne à l'utilisation
1: avec un générateur asynchrone

Nous prendrons l'exemple du parc éolien de Fauquembergues mais l'organisation électrique est la même pour tous les parcs éoliens français.


Le vent fait tourner les pales de l'éolienne qui entraînent le multiplicateur. L'axe qui relie les pales au multiplicateur tourne donc assez lentement mais avec un fort couple (force avec laquelle quelque chose tourne). Ce multiplicateur entraîne lui même la génératrice. L'axe qui les relie tourne plus vite et avec un couple moindre.


Les câbles conduisent le courant depuis la génératrice asynchrone de l'éolienne vers la base de la tour. Cependant, si par hasard l'éolienne continue de s'orienter dans le même sens pendant une longue période, les câbles finiront par être de plus en plus torsadés. Les éoliennes sont donc munies d'un compteur de la torsion des câbles qui avisera le contrôleur électronique lorsqu'il est l'heure de dérouler les câbles.


Le courant est produit en 690V continus en haut de l'éolienne. Il est apporté en bas de l'éolienne par des câbles puis transformé en 20 000V alternatif (haute tension) par un puissant transformateur.


Les câbles à haut voltage sont ensuite enterrés pour arriver à un poste de livraison commun à toutes les éoliennes du champ ; le poste électrique de Lumbres. La Haute Tension permet au courant de parcourir de grandes distances, sachant que les pertes électriques sont divisées par quatre lorsque la tension double. Il y a entre 8 et 10% de perte d'électricité pendant le transport dans le sol. Ce poste source permet de raccorder les éoliennes au réseau électrique.


Là, les lignes se divisent. D'un côté, la ligne haute tension est raccordée à la ville et fournit une certaine quantité de courant au habitants ainsi fournis en courant 220V qui fait fonctionner le différents appareils de la maison. De l'autre, le courant est encore transformé en courant de tension de 63 000V ou 90 000V.


Les lignes sont alors raccordées à des postes de transformation qui augmentent la tension afin de faciliter le transport tout en diminuant les pertes. Les courant circule alors dans des lignes très haute tension. La tension peut y avoisiner les 400 000V. Les centrales électriques (nucléaires, thermiques ou encore hydrauliques) sont aussi raccordées à ces postes de transformation en courant à très haute tension.


Le gestionnaire du réseau public de transport observe à chaque instant la demande en électricité. Il doit donc gérer l'utilisation et la distribution afin de ne pas avoir à stocker l'électricité. L'électricité peut aller dans d'autres régions qui ont des grosses demandes ou peuvent franchir les frontières pour approvisionner d'autres pays européens. Ainsi, des pays comme l'Allemagne qui disent essayer de sortir du nucléaire, n'ont presque aucune centrale sur leur territoire mais achètent de l'électricité produite par des centrales françaises pour combler leurs besoins.


De plus si les villes proches du champ éolien n'ont pas des demandes très fortes, l'électricité produite par le champ va suffire aux besoins de la ville et le surplus va être transformé en courant très haute tension. Au contraire, si la production du champ ne suffit pas, l'électricité produite par les centrales sera redirigée vers les villes.


Si la centrale produit trop, dans le cas présent, la centrale de Gravelines, les éoliennes sont mises en drapeau et ne produisent ainsi plus d'énergie.


Mais, le parc éolien de la Haute-Lys qui regroupe 25 éoliennes dont 6 à Fauquembergues produit 100MW par an, c'est à dire la consommation électrique de 94 000 habitants, ce qui représente la consommation en électricité d'une ville comme Roubaix.


Ce qui veut dire que si les éoliennes n'étaient pas stoppées du fait de la surproduction de la centrale nucléaire, la ville de Fauquembergues (1 000 habitants) et de nombreuses autres communes alentours pourraient être totalement autonomes au point de vue électrique.

2: avec un générateur synchrone

Nous prendrons ici l'exemple de l'éolienne de Norrent-Fontes mais le fonctionnement et les transformations sont identiques avec des génératrices asynchrones.


Le vent, en fonction de sa vitesse, fait tourner le générateur synchrone à une vitesse variable. Ce générateur produit du courant alternatif à fréquence variable. Ce courant est alors transporté par des petits câbles électriques pour être transformé en courant continu, grâce à des transformateurs et à un ordinateur, puis ce courant continu est retransformé en courant alternatif, mais, cette fois, ce courant alternatif va avoir une fréquence constante. Le courant est donc prêt à l'utilisation directe, au stockage dans des batteries ou à sa mise en circulation sur le réseau EDF.


Le courant ainsi formé peut alimenter des lampes à faible consommation et différents objets. Mais l'éolienne vue durant la visite n'était qu'une éolienne d'exposition et n'avait donc pas une hauteur suffisante pour être vraiment productive. Pour une bonne production en campagne, il faut compter au moins 12 mètres de hauteur.


Une éolienne de 12 mètres de haut ou plus revient certes à un prix assez élevé mais pourrait fournir environ 1/3 des besoins en électricité d'une maison.




Les éoliennes sont bien des sources d'électricité mais pas assez productrices pour être l'unique source de production française. C'est pour cela qu'il faut coupler cette production avec d'autres énergies pour pouvoir répondre aux besoins français..




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