EOLIEN : comment ça fonctionne ?

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On sait tous, ou presque, que l'énergie éolienne prend sa source dans l'exploitation du vent qui se transformé en énergie d'abord par l'action des pâles (ou autre dispositifs) laquelle est ensuite stocker via des accumulateurs. C'est vague, mais on peut dire que c'est un peu ça. Du moins c'est ce que retient la majorité d'entre-nous.

Aussi pour satisfaire la curiosité du plus grand nombre, à commencer par mon petit-fils, j'ai trouvé une série d'articles qui devrait nous aider à comprendre comment ça fonctionne réellement...

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L'énergie éolienne et son fonctionnement

Les éoliennes sont des machines dont l'objectif est de transformer l'énergie du vent en énergie utilisable par l'homme, soit en énergie mécanique comme dans les moulins ou les éoliennes de pompage, soit en énergie électrique comme dans les éoliennes modernes.

Ces dernières sont maintenant des systèmes très complexes et évolués. Ils sont composés des éléments suivants :

• une assise de béton, la fondation, qui permet de fixer de façon rigide l'ensemble de la structure de l'éolienne ;
  
• le mât, qui place l'hélice dans une zone de vent plus fort et régulier et permet d'avoir une grande longueur de pale ;
  
• la nacelle, dont les dimensions approchent celles d'un container, et qui contient toute la machinerie qui sert d'une part à transformer le mouvement des hélices en électricité, et d'autre part à orienter au mieux l'éolienne ou à la mettre en position de repos ;
  
• l'hélice, le plus souvent à 3 pales, parfois à 2 seulement ;
  
• et enfin la cabine de dispersion qui réalise l'adaptation du courant électrique produit par la nacelle en un courant injectable sur le réseau électrique local.
  

Les éoliennes ont le plus souvent 3 pales, car il s'agit d'un compromis entre différents paramètres :

• le nombre pair de pales entraîne des effets mécaniques indésirables (forces dites de "précession" trop élevées),
  
• le rendement décroît si le nombre de pales augmente (une pale étant perturbé par la précédente).
  

Ainsi, le choix de 3 pales offre à la fois des contraintes mécaniques réduites et un rendement élevé.

Les petites éoliennes ont toutefois des rotors qui ont parfois deux pales. Celles-ci sont en effet suffisamment petites pour supporter les contraintes de précession et elles peuvent alors profiter du rendement meilleur des rotors bipales par rapport aux rotors tripales.

Les rotors bipales sont de plus, plus simples à concevoir et à réaliser.

Les éoliennes n'ont pas toujours une géométrie constante. En effet, elles doivent être capables de supporter les tempêtes et cette résistance aux vents violent peut-être obtenue par une modification de la forme du rotor.

En effet, les pales peuvent tourner le long de leur axe principal, ce qui permet d'adapter la géométrie du rotor à la force du vent pour obtenir le meilleur rendement, mais surtout de les basculer totalement pour réduire leur prise au vent. Le rotor ne cherche alors plus à tourner et l'effort axial est réduit.

D'autres modèles possèdent des "volets". Il s'agit de l'extrémité de la pale qui est capable de tourner sur elle-même le long de son axe principal et ainsi d'opposer une force à celle due au vent sur le reste de la pale.

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Pourquoi des éoliennes ?

La France s'est fixé comme objectif, dans le cadre d'une directive européenne, d'obtenir 21 % de sa consommation d'électricité en 2010 à partir d'énergies renouvelables, contre 15 % aujourd'hui. Pour respecter cet objectif, elle doit mener deux actions de front :

• développer les énergies renouvelables, en particulier la filière éolienne ;
  
• mieux maîtriser la consommation d'électricité.
  

Quels sont les atouts de l'éolien ?

C'est une énergie renouvelable favorisant la diversification et l'indépendance énergétique de notre pays.

C'est une énergie propre qui ne produit pas de gaz à effet de serre. Elle utilise des machines dont le cycle de vie est favorable au respect de l'environnement : matériels restituant en quelques mois l'énergie utilisée pour leur fabrication, matériaux recyclables, démantèlement réalisable à tout moment et en quelques jours, assurant une totale remise en état du site.

C'est une énergie décentralisée plus proche des consommateurs.

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Quelques chiffres pour comprendre et comparer

La consommation électrique moyenne d'un habitant varie de 1600 kWh à 2800 kWh selon que l'on prenne en compte les seuls usages domestiques et agricoles, ou que l'on intègre les usages professionnels et les services publics.

Une éolienne de 1MWh de puissance produira par exemple en Bretagne en moyenne 2 millions de kWh par an, ce qui correspond à une consommation électrique moyenne (2000 kWh) d'environ 1000 personnes.

• Une éolienne : 1 MW
  
• Usine marémotrice de la Rance : 240 MW
  
• Un réacteur nucléaire : 900 à 1.450 MW
  

Coût du kWh produit :

• 1 kWh éolien : en moyenne 0,40 F (coût variable selon le gisement)
  
• 1 kWh nucléaire : 0,18 F à 0,20 F
  
• 1 kWh thermique gaz naturel : 0,20 F à 0,25
  

1 unité d'électricité = 1kWh (1 kilowattheure)

1000 kW = 1 MW (1 mégawatt)

1000 MW = 1 GW (1 gigawatt)

1000 GW = 1 TW (1 térawatt)

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Ferme éolienne : le choix des sites

Le choix de l'emplacement d'une ferme éolienne est complexe et ne laisse pas de place au hasard. Il faut avoir en tête que la puissance délivrée par une éolienne augmente avec le cube de la vitesse du vent : si le vent double, la puissance augmente d'un facteur 2x2x2 = 8 ! C'est pourquoi on cherchera d'abord des zones soumises à des vents forts et réguliers.

Les vents doivent avoir une vitesse d'une quinzaine de km/h pour commencer à fournir de l'électricité. Mais il s'agit d'un minimum et les éoliennes acceptent des vents bien plus puissants. Mais ils ne doivent pas être non plus trop puissants, ce qui use trop vite les mécaniques ou même peut détruire les éoliennes.

Les zones potentielles font l'objet d'études précises : mesures, observation de la végétation ou même modélisations informatiques. Les éoliennes sont implantées à quelques mètres près, surtout en zone à relief accidenté ou les vents sont très variables d'un point à l'autre.

C'est ainsi que sont choisies les implantations terrestres des champs d'éoliennes. Mais il ne faut pas oublier que le plus gros "gisement" d'énergie éolienne ne se trouve pas sur terre mais parmi les étendues maritimes ! Ce sont alors des éoliennes dites "off shore" qui sont implantées.

Ces fermes sont bien plus coûteuses à l'acquisition (besoin de résistance à la corrosion, aux vagues...) et l'installation (câbles électriques sous-marins, utilisation de plates-formes flottantes...) comme à l'entretien, mais elles présentent bien d'autres avantages. D'une part, elles posent moins de contraintes d'environnement (populations, aérodromes, impact paysager...). Mais surtout elles sont soumises à des vents plus forts et surtout plus constants. Ainsi, une éolienne off shore produit environ 50% d'électricité en plus qu'une éolienne identique implantée sur terre.

Futura Sciences

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Une « lentille » à éolienne. C'est ce que des chercheurs japonais ont mis au point afin d'augmenter l'efficacité des éoliennes. Avec, le rendement peut être multiplié par deux ou trois. De quoi remplacer le nucléaire désormais mal-aimé au Japon ?

Des chercheurs japonais de l’université de Kyushu ont trouvé un moyen d’augmenter le rendement des éoliennes grâce à une « lentille » qu’ils placent autour des pales. À l’instar d’une lentille optique qui a pour caractéristique de faire converger les rayons lumineux, la lentille à éolienne agrège les flux de vent. Ainsi, les pales tournent plus vite et le rendement énergétique augmente.

Cette lentille, conçue par Yuji Ohya, consiste en une sorte de paroi cylindrique placée autour des pales de l’éolienne (voir la photo en bas de l’article). En déviant une partie de l'air entourant les pales, ce carénage crée une perturbation annulaire entourant le flux d'air central. Il se produit une dépression en arrière de l'éolienne, ce qui accélère le flux d'air. Le vent traversant l'éolienne est ainsi renforcé. Conséquence : les pales se mettent à tourner plus vite.

D'après l'équipe japonaise, le rendement de l’éolienne est deux à trois fois plus important que sans la lentille. Même si l'étude n'en est qu'au stade du projet, elle pourrait représenter une aubaine pour le Japon dont la production d’énergie nucléaire a été sérieusement ébranlée par la catastrophe de Fukushima. Non seulement les usines peinent à se remettre en marche mais en outre, l’opinion publique ne voit plus le nucléaire d’un très bon œil.

Le carénage (lentille) dévie le vent autour des pales, ce qui crée une dépression en aval du flux d'air. Par effet d'aspiration, elle accélère le vent traversant l'hélice. Bruno Scala/Futura-Sciences, d'après NHK World

Futura Sciences 09/10/2011