LE VENT : UNE ENERGIE QUE LE MONDE REDECOUVRE

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1 LE VENT : UNE ENERGIE QUE LE MONDE REDECOUVRE INTRODUCTION. Comparée à d autres pays européens, la France a très peu développé, durant le dernier quart de siècle, la production d énergie électrique à partir de l énergie éolienne. Les raisons essentielles de ce choix ont certainement été la priorité donnée au nucléaire, un coût de production relativement élevé et un manque d affinité culturelle certain pour les énergies nouvelles. Aujourd hui, il semble que «le vent tourne» : Les préoccupations environnementales occupent le devant de la scène politique internationale et les gouvernements, qui se sont engagés à promouvoir «un développement durable pour la planète», encouragent le développement des énergies renouvelables. Les progrès techniques réalisés dans la conception et la réalisation des aérogénérateurs (amélioration des rendements) alliés à l industrialisation de la production (fabrication en série) ont fait baisser sensiblement le prix de revient de l électricité éolienne. D après l association européenne de l énergie, le coût de production du kwh éolien varie aujourd hui, selon la fréquence des vents, les sites d implantation et les technologies retenues, entre 4 et 7 centimes d euro. On approche ainsi du seuil de compétitivité économique. Les nuisances liées à l implantation d une éolienne (bruit, perturbations radioélectriques, impact sur le paysage, etc.) ont été considérablement minimisées. C est dans ce contexte, ou l éolien a atteint un niveau de faisabilité et de crédibilité qui en fait une énergie complémentaire d avenir, que le gouvernement français a lancé, en février 1996, le programme EOLE Destiné à favoriser l exploitation progressive du potentiel éolien national, ce programme, piloté par le Ministère de l Industrie, l Agence de l Environnement et de la Maîtrise de l Energie (ADEME) et EDF prévoit, le développement de centrales éoliennes raccordées au réseau électrique, pour une puissance totale équivalente à 500 MW à l horizon PR 1 -

2 CARACTERISATION DU POTENTIEL EOLIEN. Classé au deuxième rang européen derrière le Royaume-Uni, la France dispose de nombreux «gisements éoliens», principalement en Bretagne, sur les côtes de la Manche et dans le Roussillon. Les cartes ci-dessous donnent une image de l importance des potentiels éoliens européen et français : Carte des vents en Europe : Carte des vents en France : - PR 2 -

3 LE PARC EOLIEN DE PLOUARZEL Le parc éolien de PLOUARZEL, d une puissance totale de 3,3 MW, appartient à la première tranche du programme de développement EOLE. Sa réalisation a nécessité un investissement total de 3,4 millions d euros. Initié par le conseil municipal de PLOUARZEL en 1994, le projet a finalement été retenu dans le cadre du programme EOLE 2005 en octobre Sa réalisation et son exploitation ont été confiées à la société «LA COMPAGNIE DU VENT». L ouvrage, dont la construction a durée six mois, a été mis en service le 30 octobre 2000 et inauguré le 2 février Les grandes étapes du projet : - PR 3 -

4 Caractéristiques techniques du parc : Implantation : Le parc éolien est implanté à la pointe du Nord Finistère, face aux vents dominants : Vent dominant Production annuelle : La production annuelle du parc est de l ordre de 9,8 millions de kwh, pour une puissance totale de 3,3 MW. Cette production correspond à l équivalent de la consommation électrique des 4000 habitants des communes de Plouarzel et Lampaul-Plouarzel. Constitution : Le parc est constitué de cinq éoliennes tripales de type VESTAS V47-660kW. Caractéristiques dimensionnelles VESTAS V Hauteur de la tour : 38,4 mètres ; Tour tubulaire en acier : O base : O tête : 3 mètres 2 mètres Masse : tour : nacelle : rotor : 28,9 tonnes, 20,4 tonnes, 7,2 tonnes. - PR 4 -

5 PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DE L EOLIENNE VESTAS V kw Quand le vent se lève, le calculateur (1), grâce à la girouette (2) située à l'arrière de la nacelle, commande aux moteurs d'orientation (3) de placer l'éolienne face au vent. Les trois pales (4) sont mises en mouvement par la seule force du vent. Elles entraînent avec elles l'axe lent (5), le multiplicateur (6), l'axe rapide (7) et la génératrice asynchrone (8). Dès que la vitesse du vent est suffisante (15 km/h), l'éolienne peut être couplée au réseau. Les pales tournent alors à environ 30 tours par minute et entraînent la génératrice à 1515 tours par minute. Cette vitesse de rotation restera constante tout au long de la période de production. Lorsque la vitesse du vent atteint 50 km/h, l'éolienne fournit sa puissance nominale. La génératrice délivre alors un courant électrique alternatif à la tension de 690 volts dont l'intensité varie en fonction de la vitesse du vent. Ainsi, lorsque la vitesse du vent croît, la portance s'exerçant sur les pales augmente et la puissance délivrée par la génératrice s'accroît. Pour des vitesses de vent supérieures à 50 km/h, la puissance est maintenue constante en réduisant progressivement la portance des pales. L unité hydraulique (9) régule la portance en modifiant l'angle de calage des pales qui pivotent sur leurs roulements (10). Lorsque la vitesse du vent dépasse 90 km/h, les pales sont mises en drapeau (parallèles à la direction du vent) et leur portance devient quasiment nulle. L éolienne cesse alors de tourner : elle ne produit plus d'électricité. Tant que la vitesse du vent reste supérieure à 90 km/h, le rotor tourne «en roue libre» et la génératrice est déconnectée du réseau. Dès que la vitesse du vent diminue, l éolienne se remet en production. Toutes ces opérations sont entièrement automatiques et gérées par ordinateur. En cas d'arrêt d urgence, un frein à disque (11) placé sur l'axe rapide permet de mettre l'éolienne en sécurité. Au pied de chaque éolienne, un transformateur convertit la tension de 690 volts en volts, tension du réseau national d'électricité de France sur lequel toute l'électricité produite est déversée. - PR 5 -

6 AUTOMATISME DE POSITIONNEMENT DE LA NACELLE Pour obtenir un rendement optimal de l éolienne, il est indispensable que le «disque éolien» (surface virtuelle définie par la rotation des pales) soit constamment perpendiculaire à la direction du vent. A défaut, la puissance disponible en sortie du générateur diminue rapidement et des vibrations, néfastes à la longévité de l aérogénérateur, risquent d apparaître. Les éoliennes VESTAS sont équipées de nacelles orientables, dotées d un dispositif de régulation automatique dont la fonction est de maintenir en permanence le disque éolien face au vent. axe direction du vent 11 0 axe direction de la nacelle Avant intervention de la régulation Après intervention de la régulation L information relative à la direction du vent est délivrée «en continu» au dispositif de régulation par une girouette associée à un codeur de position. L unité centrale stocke ces informations puis calcule, toutes les 30 secondes, l angle de décalage moyen entre l axe du rotor et la direction du vent. La décision de régulation est alors élaborée par le calculateur qui pilote les deux moteurs chargés d aligner l axe de la nacelle avec la direction moyenne du vent. Schéma fonctionnel de la boucle de régulation de position : girouette n n Entrées logiques µ p E1 E1 - E2 + - E2 différentiateur décodage gray binaire et stockage pendant 30s angle de décalage moyen nacelle angle de décalage souhaité orientation axe nacelle / sens du vent - + Commande TOR à hystérésis consigne de décalage axe nacelle / direction du vent Sorties logique µ p Interfaces de puissance orientation de la nacelle moteurs rotation nacelle face au vent N.B. Lors du fonctionnement de l éolienne, la nacelle, en s alignant sur la direction du vent, peut effectuer plusieurs tours sur elle même. Pour éviter le phénomène de vrillage des câbles dans la tour et le sectionnement qui en résulterait, deux capteurs inductifs de proximité détectent les mouvements de la nacelle. Ces détecteurs permettent au système de contrôler le nombre de tours (noté CPT), réalisés par la nacelle lors du fonctionnement. Au delà de 3 tours maximum en fonctionnement normal et systématiquement lors toute «mise en marche» de l éolienne, la nacelle est automatiquement repositionnée à «CPT = 0». - PR 6 -

7 AUTOMATISME DE REGULATION DE PUISSANCE Sous l action du vent, les pales sont soumises à deux forces : la portance et la traînée. La puissance «mécanique» transmise au rotor par les pales de l éolienne est proportionnelle à la portance. P Vent T Plan de rotation du rotor Dès 50 km/h, l'éolienne fournit sa puissance nominale. Pour des vitesses de vent supérieures, la puissance transmise au rotor risquerait de devenir destructrice, aussi est-elle maintenue constante par réduction progressive de la portance. La modification de la portance est obtenue par action sur l angle d inclinaison des pales. Plus l angle d inclinaison est important, plus la surface de contact (Sc) du vent sur la pale sera faible A vent constant, la diminution de la surface de contact Sc entraîne une baisse de la portance. A vent forcissant, la diminution de la surface de contact permet de maintenir une portance constante et donc un couple quasi constant (C ~ F.R). La vitesse de rotation étant constante, la puissance reste également constante. Les schémas et graphiques ci-dessous mettent en évidence le principe de la régulation Vent de 50 km/h Vent de 65 km/h Vent de 80 km/h Plan de rotation F F F SC1 SC2 SC3 - PR 7 -

8 Variation de la puissance utile en fonction de l angle d inclinaison des pales Puissance utile en KW 0 P Vent en m.s V Angle d'inclinaison Pu en Kw Angle d'inclinaison en degré Pour des vitesses de vent supérieures à 90 Km/h, la régulation par variation de la portance des pales n est plus efficace. Les pales sont alors mises en drapeau, la génératrice électrique joue momentanément le rôle de frein puis l éolienne est découplée du réseau. En ultime secours, un frein à disque monté sur l arbre rapide entre en action pour immobiliser le rotor de l aérogénérateur. Schéma fonctionnel de la boucle de régulation de puissance : anémomètre tensions courants 6 E1 E1-E2 + - E2 différentiateur entrée logique µ p 6 entrées analogiques µ p Consigne de puissance comptage des impulsions pendant 1min calcul de la puissance électrique puissance générateur + - puissance modifiée calcul de la vitesse moyenne du vent estimation des vitesses de vent possibles Correcteur PID automate v max v min contrôle de la qualité de l'information vitesse du vent : elle doit être dans la fourchette d'estimation (v min <v mesuré <v max ) Sortie analogique µ p Vanne hydraulique vitesse moyenne du vent validée orientation des pales modifiée générateur arrêt / marche Traitement des vents excessifs mise en drapeau des pales moteur hydraulique La mesure de la vitesse du vent est réalisée par un anémomètre non directionnel, associé à un générateur d impulsions. La qualité et la fiabilité de cette mesure sont essentielles puisque la vitesse du vent est à l origine du déclenchement de la majorité des procédures d arrêt de fonctionnement de l éolienne. Pour éviter tout risque d arrêt intempestif, l information vitesse est moyennée pendant quelques secondes puis corrélée avec d autres paramètres permettant de valider le bon fonctionnement de l anémomètre ( puissance fournie par le générateur et orientation des pales) avant d être utilisée par le calculateur de l unité centrale. - PR 8 -

9 GENERATRICE ASYNCHRONE. La génératrice électrique de l éolienne est une machine asynchrone de type INDAR, dont la construction s apparente à celle d une machine à rotor bobiné. Sa facilité d accrochage sur le réseau, sa robustesse et l absence de contact tournant lui confèrent des avantages déterminants pour ce type d application. Caractéristiques techniques : Puissance 660 kw Indice de protection IP 54 Tension nominale 690 V Fréquence 50 Hz Nombre de pôles 4 Facteur de puissance 0,88 Rendement 96,5 % Courant nominal 628 A Courant à vide 215 A Pertes fer 4000 W Pertes mécanique 3000 W Vitesse de rotation 1515 tr.min -1 < n < 1650 tr.min -1 Le procédé OPTISLIP : La régulation de la puissance utile de l aérogénérateur est obtenue par action sur l angle d inclinaison des pales. Cette régulation mécanique, dont le temps de réaction est estimé à huit secondes minimum, est parfaitement adaptée à des variations lentes de la vitesse du vent. Pour limiter les fluctuations de puissance électrique liées aux variations rapides (fortes rafales, turbulences dues au passage des pales devant la tour, etc.), le constructeur a équipé ses éoliennes du dispositif de régulation électronique OPTISLIP qui permet, par modification de la valeur de la résistance rotorique, d obtenir une puissance de sortie de la génératrice la plus constante possible. - PR 9 -

10 SCHÉMA ÉLECTRIQUE ÉOLIENNE VESTAS V kw - PR 10 -