Aérogénérateur




Eolienne Enercon E70/2300 de 2300 kW à la Répara

Les éoliennes produisant de l'électricité sont appelées aérogénérateurs, tandis que les éoliennes servant au pompage de l'eau sont appelées éolienne Bollée. Mais très souvent le mot éolienne est employé pour designer un aérogénérateur.

Une éolienne est un dispositif de captage de la force motrice du vent elles sont directement issues des anciens moulins à vent. Cette force peut être utilisée mécaniquement (dans le cas d'une éolienne de pompage), ou pour produire de l'électricité (dans le cas d'un Aérogénérateur). On parle de Parc éolien ou de ferme éolienne pour décrire les unités de productions groupées, dites « offshore » si elles sont en mer.

Les régions du monde où les champs éoliens sont les plus nombreux sont le Danemark, le nord de l'Allemagne et la Californie (USA), mais de nombreux parcs éoliens existent dans les îles des Shetlands (Écosse), dans les Apennins (Italie du Sud) et en Galice (Espagne), où l'on peut en voir des centaines tout au long de la côte. En France elles sont surtout présentes en Bretagne dans l'Aude, la Meuse (France).

On désigne par FarWind les régions du globes exposées aux vents extrêmes et aux cyclones (par exemple la Guadeloupe)

On regroupe les aérogénérateur en 6 familles :

  • une unique machine asynchrone (avec boîte de vitesses)
  • deux machines asynchrones
  • une ou deux machines asynchrones avec cascade hypersynchrone (convertisseur statique au rotor couplé au réseau)
  • une ou deux machines asynchrones avec dispositif de contrôle de la résistance rotorique (convertisseur statique au rotor couplé au réseau)
  • une machine synchrone, asynchrone ou à aimant permanent avec convertisseur statique assurant le transit total de puissance (interface électronique intégrale)

La machine asynchrone avec cascade hypersynchrone est appelé MADA et utilisé pour les éoliennes de forte puissance. A ces machines peuvent être ajouté un limiteur de courant au couplage ou/et des condensateurs.

Historique

On trouve à partir du Ve siècle les premiers aéromoteurs en Asie, ce sont des machine à axe vertical. A peu près à la même époque, les Égyptiens utilisent des moulins à axe horizontal. Tout en différant du point de vue technologique, ces moulins avaient le même principe : transformer de l'énergie éolienne en énergie mécanique. En Europe ce n'est qu'au VIIè siècle que l'on voit apparaître des moulins. C'est en 1802 que l'on a songé pour la première fois à transformer de l'énergie éolienne en énergie électrique. Lord Kelvin en effet essaya d'associer une génératrice d'électricité à un moteur éolien, amis il faudra attendre 1850 et l'apparition de la dynamo pour que voie le jour ce que l'on appellera les aérogénérateurs.

Cette nouvelle application de l'énergie éolienne connut un certain succès, et l'on comptait en 1920 jusqu'à 300 constructeurs d'aérogénérateurs. Les recherches aérodynamiques importantes pour l'aéronautique permirent aux moteurs éoliens de faire des progrès sensibles et les études se poursuivirent jusqu'en 1961. A cette époque, le faible coût du pétrole avait mis le kilowatt fourni par l'énergie thermique à un niveau de compétitivité inaccessible à l'énergie éolienne. Toutes les machines furent démontées. Depuis 1975, des éoliennes d'un nouveau type sont apparues, notamment pour fournir de l'électricité au moment du premier choc pétrolier. En effet, l'énergie éolienne contribue à l'indépendance énergétique du pays où elle est installée en se substituant aux importations d'hydrocarbures. Pour augmenter la puissance des éoliennes, le diamètre des pales a progressivement augmenté au fur et à mesure que leur matériau s'allégeait (polyester métal, fibre de carbone) vu que la puissance d'une éolienne est proportionnelle à la surface balayée par l'hélice. Des diamètres d'hélices de 30 à 80 m sont dorénavant fréquents pour une puissance unitaire de 1,5 MW à 3 MW.

Au cours de ces vingt dernière années se dessine une nette tendance au développement de fermes éoliennes ou parcs éoliens raccordés au réseau de distribution avec des machines de 300kW à 3 MW.

Fonctionnement

  • Quand le vent se lève (environ 5 km/h), un anémomètre et une girouette placés sur la nacelle commandent aux moteurs d’orientation de placer l’éolienne face au vent.
  • Un mât ou pylône support permet de placer le rotor à une hauteur suffisante pour permettre son mouvement (nécessaire pour les éoliennes à axe horizontal) et/ou placer ce rotor à une hauteur lui permettant d'être entraîné par un vent plus fort et régulier qu'au niveau du sol. Le mât abrite généralement une partie des composants électriques et électroniques (modulateur, commande, multiplicateur, générateur, etc.).
  • Les pales (en général au nombre de trois) sont mises en mouvement par la seule force du vent (entre 14 et 90 km/ h). Elles entraînent avec elles l’arbre principal, le multiplicateur et la génératrice
  • Un rotor, composé de plusieurs pales (en général trois) et du nez de l'éolienne. Le rotor est entraîné par l'énergie du vent (entre 10 et 25 tours par minute), il peut être couplé directement ou indirectement à une pompe (cas des éoliennes de pompage) ou plus généralement à un générateur électrique. Le rotor est relié à la nacelle par le moyeu.
  • Une nacelle montée au sommet du mât, abritant les composants mécaniques, pneumatiques, certains composants électriques et électroniques, nécessaires au fonctionnement de la machine.
  • Dans le cas des éoliennes produisant de l'électricité, un poste de livraison situé à proximité du parc éolien permet de relier ce parc au réseau électrique pour y injecter l'intégralité de l'énergie produite par un mat électromagnétique.

Production d'énergie électrique d'un aérogénérateur

La puissance électrique

Les aérogénérateur sont caractérisées par leur puissance électrique (puissance nominale) exprimé en Watts (symbole W). Ainsi une éolienne de 2 MW signifie qu'elle est capable de fournir une puissance électrique maximale de 2 millions de Watt.

Les conditions optimales permettant d'atteindre cette puissance maximale correspondent notamment à une vitesse de vent de l'ordre de 15 m/s, soit environ 55 km/h : en dessous de cette vitesse, l'éolienne produit moins d'énergie, au dessus de cette vitesse et jusqu'à environ 25 m/s l’éolienne produit à sa puissance nominale et au dessus de 25 m/s l'éolienne est mise à l'arrêt. La production réelle d'énergie électrique est fonction de la distribution statistique de la vitesse du vent du site. Ainsi, une éolienne de 2 MW produira le plus souvent une puissance moyenne de 600 kW voire, dans les cas les plus favorables, 1 400 kW. Cette puissance est donc la puissance électrique maximale que peut fournir l'éolienne sur le réseau. L’énergie produite est exprimée en wattheure (Wh) correspondant à une puissance de 1 Watt pendant 1 heure, par exemple 1 500 kWh correspond à une éolienne de 1,5 MW fonctionnant pendant 1 heure à sa puissance nominale.

Facteur de disponibilité

Le facteur de disponibilité noté $Kd$ est le pourcentage de l'énergie maximum pouvant être produite si les capacités installées fonctionnent toute l'année. Ce facteur tient compte de l'impact des indisponibilités techniques (arrêts programmés et fortuits) et des périodes où les éoliennes fonctionnent en dessous de leur puissance nominale (vent faible).

Facteur d'utilisation

Le facteur d'utilisation, est le rapport entre l'énergie électrique (mesurée sur un an) produite par l'éolienne ou le parc éolien et sa puissance électrique maximale. Ce facteur dépend de la demande en énergie (par exemple le parc éolien pourrait produire, mais la demande n'est pas suffisante et certaines éoliennes sont alors mises à l’arrêt).

Facteur d'utilisation

$$Ku=\frac{\text {Énergie nette produite par un parc éolien sur une année donnée}}{\text {Énergie potentiellement produite}}.100$$

$Ku$ : facteur d'utilisation (en %)
$\text {Énergie potentiellement produite}$ : puissance nominale d’une éolienne × nombre d’éoliennes × nombre d’heures dans l’année (en Wh)

Facteur de charge

Le facteur de charge est le rapport entre le facteur de disponibilité et le facteur d'utilisation. En théorie, ce facteur de capacité peut varier de 0% à 100%. En pratique, ce facteur est compris entre 20% et 70% selon les sites, et le plus souvent entre 25% et 30%.

Facteur de charge

$$Kp=Kd.Ku$$

$Kp$ : facteur de charge (en %)

Ce facteur permet d'évaluer la performance d'un parc éolien. Par comparaison, le facteur de charge du par nucléaire français était de 73,8% pour l'année 2010, avec Kd = 78,5% et Ku = 94 % 1).

Évolution de la puissance d'une éolienne

La puissance d’une éolienne a été multipliée par 10 entre 1997 et 2007. Dans les années 80, une éolienne permettait d’alimenter environ 10 personnes en électricité. Aujourd’hui, une seule éolienne de 2 MW fournit de l’électricité pour 2 000 personnes, chauffage compris. La puissance moyenne d’une éolienne était de 0,5 MW en 2000, de 1,7 MW en 2007, de 2 MW en 2009, et elle atteindra 2,5 MW en 2010.

Constitution

Schéma d'une éolienne de type aérogénérateur
  • Un aéromoteur ou rotor composé d'une ou plusieurs pales (généralement 3) pourvu d'un système de régulation et de protection conférant à l'hélice une fréquence (vitesse de rotation) stable à partir d'une certaine vitesse de vent, et éventuellement d'un système de sécurité destiné à arrêter la machine en cas de vent trop fort si le système de régulation est inopérant au-delà d'une certaine vitesse de vent.
  • Un Générateur électrique permettant de transformer l’énergie mécanique en énergie électrique qui peut être :
    • directement couplé a l'aéromoteur : dans le cas le plus simple, l'hélice est montée directement sur l'axe du générateur électrique (génératrice synchrone)
    • entraîné par un multiplicateur placé entre l'aéromoteur et le générateur électrique (génératrice asynchrone)
  • Un système d'orientation (un moteur électrique dans le cas des grandes éoliennes) permet à la machine de présenter le rotor au vent quelle que soit sa direction. L'énergie électrique produite est transmise de la partie orientable à la partie fixe de l'aérogénérateur, solidaire du pylône support, par l'intermédiaire d'un dispositif à collecteur associe au pivot ou d'un câble souple qu'il faut dé-torsader périodiquement
  • La nacelle : composée d'un carter ou bâti qui enveloppe, protège et relie entre elles l'ensemble des pièces
  • Le mat qui supporte la nacelle et le rotor, il abrite une échelle permettant l’accès à la nacelle pour l'entretien.
  • Un gouvernail (pour les petites machines), dans le cas ou l'hélice de la machine fonctionne “au vent” ou des moteurs associés à une girouette et destinés à maintenir la machine face au vent
  • Un moyeu qui supporte les pales. Lorsqu'elles sont à pas variable, il comporte un mécanisme permettant de faire varier l'angle d'attaque simultanément. On peut également devoir ajuster l'angle des pales fixes, aussi on prévoit toujours une façon de corriger l'installation des pales
  • Un groupe hydraulique qui permet l'orientation des pales et de la nacelle ainsi que le pilotage des freins aérodynamiques.
  • Un arbre, dit arbre lent entre le rotor et la boîte de vitesse et arbre rapide entre le multiplicateur et la génératrice. C'est une pièce imposante car elle subit des efforts élevés. Pour les éoliennes sans boite de vitesse (synchrones), il n'y a qu'un arbre unique
  • Un frein à disque placé sur l'arbre rapide permet l'immobilisation du rotor lors de la maintenance et palier à une défaillance éventuelle du frein aérodynamique
  • L'armoire de couplage au réseau électrique qui transforme l’énergie produite (690 V) pour l'injecter dans le réseau de distribution (haute tension)
  • Une girouette et un anémomètre situés sur la nacelle fournissent les informations nécessaires pour orienter correctement l'éolienne de façon automatique

Une éolienne en chiffres

  • hauteur totale : entre 120 et 150 mètres
  • puissance : entre 2 et 3 MW
  • hauteur du mat : entre 80 et 120 mètres de haut
  • diamètre du rotor : entre 80 et 100 mètres
  • poids du rotor (moyeu et pales) : 50 tonnes
  • poids de la nacelle : 90 tonnes
  • poids du mat : 180 tonnes
  • poids de la fondation : 800 tonnes
  • diamètre de la fondation : 20 mètres
  • volume de béton armé pour les fondations : 300 m3 (ratio d’armature de 130kg/m3 soit une cage de 40 tonnes environ)

Records

L'éolienne la plus puissante

En 2014 l’éolienne la plus puissante au monde est la V164-8.0 MW de Vestas avec une puissance de 8 MW :

  • type : Offshore
  • diamètre du rotor : 164 m
  • surface balayée : 21 124 m²
  • emplacement : Danemark
  • Puissance : 8 MW

La ST10, une éolienne de 10 MW est en cours de développement par une entreprise norvégienne Sway Turbine. Elle possédera un rotor de 164 mètres de diamètre. Un prototype devrait être construit en 2015. 2)

La plus grande surface balayée

En 2012, l'éolienne Siemens SWT-6.0-154 avec un rotor de 154 m de diamètre, balaye une surface de 18 600 m² 3)

La plus haute

En 2017, installée dans le parc éolien offshore de Burbo, l'éolienne Vestas V164-8.0MW est la plus haute du monde, elle mesure 220 metres de haut (plus haute que la Tour Montparnasse).

En 2012, la plus haute éolienne érigée se situe dans le parc éolien de Paproć en Pologne construite par le constructeur Fuhrländer elle atteint en bout de pale 210 mètres 4)

La plus grande éolienne à axe vertical

La plus grande éolienne à axe vertical est de type Darrius d'une hauteur de 110 mètres et se situe dans le parc éolien Cap-Chat, au Québec.

Bilan énergétique et bilan carbone d'une éolienne

La mise en exploitation d'une turbine de 1 MW installée sur un site éolien moyen évite un rejet annuel de 2 000 tonnes de dioxyde de carbone (CO2) si l'électricité produite était émise par des centrales électriques au charbon 5). Afin de bien analyser l'intérêt de l'énergie éolienne, on prend en compte, dans l'ensemble des maillons de la chaîne, l'énergie et les matériaux nécessaires à la fabrication et au démantèlement d'une éolienne (dite énergie grise), afin de s'assurer que son bilan énergie produite. On étudie ainsi le cycle de vie des éoliennes.

Voir aussi

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