L'énergie éolienne Principe de fonctionnement, développement viable

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1 L'énergie éolienne Principe de fonctionnement, développement viable Clebson Wagner Pereira Mai

2 Introduction : Énergie éolienne : Avantages et désavantages; Définition générale Principe de fonctionnement ; Influence des vents; Variété de systèmes Types de Turbines ; Modélisation du systeme Modélisation des turbines; Applications des Systèmes Éoliens Les dispositifs de stockage; Évolution de l'énergie éolienne dans le monde; Conclusion Tableau de contenu

3 Introduction Depuis plusieurs années, la protection de l'environnement a suscité beaucoup d'intérêt et conséquemment, plusieurs technologies se sont développées. C'est le cas de l'énergie éolienne. Jadis, on utilisait cette source énergie pour pomper de l'eau ou pour moudre le blé afin d'en faire de la farine. De nos jours, cette source d'énergie sert encore à pomper l'eau mais elle est principalement utilisée pour produire de l'électricité, et ce sans aucun effet néfaste sur l'environnement. La hausse des coûts d'exploitation des centrales nucléaires et des carburants fossiles ont aussi permis à l'énergie éolienne de devenir beaucoup plus compétitive. Avantages de l'énergie éolienne : pollution zéro ; elle peut être complémentaire aux filières traditionnelles ; elle ne consomme pas de combustibles ; abondante ; elle permet que le terrain occupé par les parcs éoliens soit utilisé à d'autres fins, par exemple agricoles ; elle compte parmi les systèmes de production d'énergie électriques les plus sûrs ; bas impact environnemental ; bonne vie utile des appareils Désavantages : instable, elle est sujette à des variations du vent et à des périodes de calme ; difficulté de stockage de l'énergie ; les équipements sont chers et produisent du bruit ; impact visuel (effets d'ombre dus au mouvement et réflexions intermittentes) ; interférences électromagnétiques.

4 Principe de fonctionnement Une éolienne est constituée d une partie tournante, le rotor, qui transforme l énergie cinétique en énergie mécanique, en utilisant des profils aérodynamiques. Le flux d air crée autour du profil une poussée qui entraîne le rotor et une traînée qui constitue une force parasite. La puissance mécanique est ensuite transformée soit en puissance hydraulique par une pompe, soit en puissance électrique par une génératrice. Le système éolien est constitué des éléments suivants : un capteur éolien, un adaptateur mécanique composé des organes de transmission de puissance avec multiplicateur ou réducteur de vitesses, un transformateur d énergie qui peut être électrique, hydraulique ou thermique, un accumulateur d énergie associé au transformateur, un réseau de distribution alimentant le ou les utilisateurs, enfin les organes de commande, de sécurité et de distribution.

5 Influence des vents L énergie du vent ou énergie éolienne traversant une surface A perpendiculaire à la direction du vent est l énergie d une masse d air en mouvement, encore appelée énergie cinétique. A un instant donné, la puissance d un vent de vitesse U est proportionnelle au cube de la vitesse du vent ainsi qu à la surface traversée A. P ~A V³.Donc, quand la vitesse du vent double, la puissance est multipliée par 8.

6 Influence des vents Dans les régions tempérées, la vitesse du vent est plus élevée en hiver qu en été. Quand on veut utiliser l'énergie éolienne, il faut savoir quels sont les places appropriées. Pour obtenir une bonne performance d'une turbine éolienne, il faut une vitesse de vent minimum dans la plage de 5.5 à 7.0 m/s. Une éolienne est caractérisée par sa courbe de puissance qui donne la variation de puissance disponible en fonction de la vitesse du vent. La puissance nominale (de projet) est la puissance donnée pour un vent déterminé, appelé vent nominal. Au-delà de cette vitesse du vent, la puissance est maintenue constante grâce au dispositif de régulation.

7 Types de Turbines Il y a deux types de turbines éoliennes; les turbines à axe horizontal les turbines à axe vertical

8 Types de Turbines Les turbines à axe horizontal se composent de: le rotor, avec des pales montées sur un moyeu ; la transmission mécanique, qui transforme le mouvement de rotation du rotor en un mouvement utilisable par la charge ; une génératrice électrique, qui transforme l'énergie mécanique en énergie électrique ; une nacelle, qui supporte le rotor, la transmission et la génératrice ; un système d'orientation, qui oriente la nacelle face au vent ; un mât, qui supporte la nacelle ; un système électrique, qui gère la connexion au réseau et le fonctionnement de l'éolienne

9 Types de Turbines Le turbine à axe horizontal a besoin d'un système de constant alignement de l'hélice avec la direction du vent. Il doit y avoir un contrôle spécifique pour cette tâche, avec un anémomètre et un moteur d'orientation qui tourne le nacelle. La plupart des turbines éoliennes sont de type horizontal. Elles comportent certains désavantages, entre autres, le générateur est situé au sommet de la tour, ce qui en rend difficiles l'entretien et les réparations.

10 Types de Turbines La turbine éolienne verticale, développée par des Canadiens, comporte quelques avantages: Tout d'abord l'accès au générateur et aux principales composantes mécaniques est situé aux pieds de la tour. De plus, aucun système pour orienter la turbine dans la direction du vent n'est requis. Un grand problème, qui peut rendre impraticable un projet avec des turbines à axe vertical est la nécessité d'une motorisation de départ pour les systèmes reliés directement le réseau électrique. Cette turbine est encore en voie de développement, mais on prévoit que lorsque complètement fonctionnelle, elle aura une signification commerciale importante

11 La modélisation des turbines Considérons une éolienne dont les pales ont un rayon r. La surface (m²) balayée est *r². Pour une vitesse v (m/s), la distance parcourue e, en une seconde, sera v en mètres. Le volume d'air traversant l'éolienne est *r² *e. La masse est égale au volume fois sa densité d (kg/m3). La masse d'air (kg) de vitesse v (m/s) qui passe dans l'éolienne, par seconde, est donc : m = * r²* e * d Où, d est la densité (en kg/m³) de l'air, soit 1,225 kg/m³, m est la masse (en kg) d'air ayant traversé l'éolienne en une seconde, r est le rayon (en m) de la surface balayée par les pales, e est l'espace parcouru (en m) par le vent durant une seconde

12 La modélisation des turbines L'énergie cinétique Ec (en joule) est la demi-masse fois la vitesse au carré, soit Ec= ½ m v², donc : Ec = ½ * * r² * e * d * v² La puissance P (en watt) est la quantité d'énergie par seconde, Or, e par seconde = v, P = ½ * * r² * v * d * v² où, d est la densité (en kg/m³) de l'air, soit 1,225 kg/m³, Donc, P = (0,5 * 3,14 * 1,225) *r²*v*v² = 1,924 *r²*v³

13 La modélisation des turbines La puissance absolue Pa par l'éolienne est = 1,924 * r² * v³. On s'aperçoit ainsi que la puissance est directement proportionnelle à la surface, mais surtout au cube de la vitesse. Toutefois, toute l'énergie ne peut être captée. La vitesse du vent n'est pas nulle après son passage dans l'éolienne! Tenant compte de l'aérodynamique, la puissance P d'une éolienne est donnée par la formule de Betz : P = cp* Pa Ou, cp = coefficient de puissance éolien La valeur maxima de cp = 16/27 a été calculée pour une turbine théorique idéale, dans des conditions idéales, donc la puissance maximale Pmax d'une éolienne est: Pmax = 16/27 Pa Dans la pratique, le valeur de cp dépend de l'aérodynamique de les plaques de l'hélice, du type de contrôle de la turbine et des valeurs instantanées de la vitesse du vent et de la rotation de la turbine, c'est-à-dire, chaque type de turbine et chaque condition d'opération présentent une valeur différente de cp.

14 La modélisation des turbines Pmax = 16/27 Pa Pmax = 16/27 * 1,924 * r² * v³ Pmax = 1,14 * r² * v³ soit Pmax/m² = 0,363 v³

15 La modélisation des turbines La puissance pratique (Pprat) d'une éolienne est inférieure à Pmax. Ceci est dû au fait que, du vent à la distribution sur le réseau, il y a plusieurs étapes de conversion d'énergie, chacune avec un rendement propre : hélice (85%), multiplicateur (95%), générateur (98%), transformateur (98%) - redresseur (98%), stockage, distribution. Bref, le rendement optimal est de 70 à 60%. Cependant, en pratique, tous les organes ne sont pas à leur rendement maximum en même temps, ce qui réduit encore le rendement global. On considère celui entre 55-50% pour une éolienne "industrielle" et % pour une éolienne "artisanale" éolienne industrielle = Pprat ~ 0,627 * r² * v³ = Pprat/m² ~ 0,20 v³. éolienne artisanale = Pprat ~ 0,456 * r² * v³ = Pprat/m² ~ 0,15 v³. Beaucoup de programmes commerciaux qui utilisent des modèles mathématiques en décrivant l'opération de turbines éoliennes, ont été développés pour analyser, de concevoir et d'optimiser des applications de parcs éoliens.

16 APPLICATIONS DES SYSTÈMES ÉOLIENS Un système éolien peut être utilisé en trois applications distinctes : systèmes isolés, systèmes hybrides systèmes reliés au réseau. Les systèmes obéissent à une configuration de base : ils ont besoin d'une unité de contrôle de puissance et, dans de certains cas, d'une unité de stockage. Systèmes Isolés Les systèmes isolés, petits en général, utilisent quelque forme de stockage d'énergie. Ce stockage peut être fait par des batteries : il faut alors un dispositif pour contrôler la charge et la décharge de la batterie. Le contrôleur de charge a comme principal objectif d éviter qu'il y ait des dommages au système de batterie par des surcharges ou des décharges profondes. Pour l alimentation d'équipements qui opèrent avec un réseau alternatif (AC), il est nécessaire d utiliser un onduleur.

17 APPLICATIONS DES SYSTÈMES ÉOLIENS Systèmes Hybrides Les systèmes hybrides sont ceux qui présentent plus d'une source d'énergie comme, par exemple, turbines éoliennes, génératrices Diesel, modules photovoltaïque, entre autres. L'utilisation de plusieurs formes de génération d'énergie électrique augmente la complexité du système et exige l optimisation de l'utilisation de chacune des sources. Dans ces systèmes, il faut réaliser un contrôle de toutes les sources pour maximiser la livraison de l'énergie à l'utilisateur. En général, les systèmes hybrides sont employés dans des petits systèmes destinés à desservir un nombre plus grand d'utilisateurs. Pour travailler avec des charges à courant alternatif, le système hybride aussi a besoin d'un onduleur. Dû à la grande complexité de dispositions et à la multiplicité des options, la forme d'optimisation du système nécessite une étude particulière à chaque cas.

18 APPLICATIONS DES SYSTÈMES ÉOLIENS Systèmes Liés au Réseau Les systèmes liés au réseau n'ont pas besoin de systèmes de stockage de énergie donc toute la génération est livrée directement au filet électrique. Ces systèmes ils représentent une source complémentaire au système électrique grand as porté ils auquel sont liés. Les systèmes éoliens liés au réseau présentent les avantages inhérents aux systèmes de génération distribuée tels comme : la réduction de pertes, le coût évité d'expansion de filet et la génération au moment de bout quand le régime des vents coïncide avec le sommet de la courbe de chargement. Projet simplifié du générateur d'une turbine éolienne à vitesse variable : N = boîte de multiplication, S = générateur synchrone, R = redresseur, I = onduleur, DC = étage intermédiaire DC, Tx = transformateur.

19 Les dispositifs de stockage de l énergie éolienne Une caractéristique essentielle du vent étant la discontinuité dans le temps, un certain nombre d études ont eu pour objet d étudier ou de mettre au point des systèmes permettant de stocker l énergie produite par le vent. Il existe différentes possibilités de stockage. Pour la production d électricité, le système de loin le plus utilisé est celui par batterie d accumulateurs. Celles au plomb, bien que lourdes et encombrantes, s accommodent bien des fluctuations propres au vent. Les autres types sont mal adaptés. Toutefois, ce type de stockage ne convient que pour de petites puissances de quelques kw tout au plus. Pour les stockages importants, on peut faire appel au pompage d eau entre 2 réservoirs et une turbine si le terrain fournit une possibilité intéressante en dénivelé. Le simple pompage de l eau dans un réservoir est aussi la solution pour stocker de l eau dans le cas, par exemple, de distribution d eau alimentaire. Principe : l énergie éolienne sert à remplir un réservoir de stockage dont l eau passera dans une turbinée pour restituer l énergie. Le stockage thermique commence aussi à se développer, essentiellement pour le chauffage. Les différents types de stockage thermique existant sont utilisés : réservoir de fluides, chauffage de produits à haute capacité thermique, etc. Principe : l énergie produite est utilisée pour chauffer le fluide d un réservoir qui restituera pendant les périodes sans vent l énergie stockée.

20 Évolution de l'énergie éolienne dans le monde Les éoliennes produisent 1 % de la production de l'électricité globale (wwindea). Il y a maintenant des milliers d'éoliennes fonctionnant dans diverses régions du monde, avec des entreprises de service public ayant une capacité totale de plus de MW,.

21 Évolution de l'énergie éolienne dans le monde et l'europe représente 69 % (fin 2005, source wwindea). Le reste est produit par des compagnies privées reliées ou non au réseau. L'Allemagne est le principal producteur de l'électricité produite par le vent avec plus de MW fin 2005 de puissance installée. les États-Unis ont une puissance installée de MW d'énergie éolienne, en troisième position derrière l'allemagne et l'espagne. La France était en 2005 le 9e producteur d'énergie éolienne en Europe avec 757 MW (EurObserv'ER 2006). De nouvelles fermes éoliennes en mer (offshore), sont projetées partout dans le monde. Le Danemark est un des acteurs importants, avec son laboratoire Risø ; le pays produit environ 20 % de son électricité avec des éoliennes.

22 Conclusion Bien qu il existe de nombreuses sortes de capteurs éoliens, les capteurs à axe horizontal de type «éolienne rapide» sont utilisés actuellement pour la production d énergie électrique à grande échelle. Les recherches effectuées dans le domaine de l aérodynamique et les systèmes de régulation automatique des pales pour obtenir une vitesse de rotation des pales à peu près constante quelle que soit la vitesse du vent supérieure à la vitesse de démarrage principalement ont permis d accroître considérablement le rendement des éoliennes à tel point que l on atteint aujourd hui des rendements plus grands. De plus les éoliennes sont de plus en plus puissantes (plusieurs mégawatts par éoliennes). Jusqu alors, les éoliennes étaient attractives car écologiques, relativement silencieuses, et autonomes mais le prix de revient du kilowattheure était bien plus cher que celui du réseau électrique national. Aujourd hui, les progrès techniques font que l énergie éolienne est de moins en moins coûteuse et plus compétitive que l énergie du réseau national en prenant en compte le coût d installation des lignes électriques. Dans ce contexte, l énergie éolienne sera devenue une énergie comme les autres.