Mémo sur le petit éolien Ce mémo concerne le petit éolien,c'est à dire des machines ayant des puissances allant de 600 W à 20 kw. Elles sont conçues pour être soumises à des vents allant de 10 à 90 km/h. La puissance maxi est atteinte pour des vents de 45 à 50 km/h environ, la puissance est ensuite stabilisée par freinage et l'éolienne décroche par sécurité pour des vents supérieurs à 90 km/h. Nous n'envisagerons que des éoliennes à axe horizontal, les éoliennes à axe vertical (type Savonius et Darieus) étant beaucoup moins performantes, plus onéreuses et destinées davantage à un milieu urbain. Le coût de ces projets est de l'ordre de 6000 à 10 000 / kw tout installé. Nous allons faire figurer les caractéristiques d'un échantillonnage de projets éoliens figurant sur le site WINDEO. Dans la documentation techniques d'une éolienne, deux documents constructeurs sont importants, il s'agit des courbes de puissance électrique délivrée en fonction de la vitesse du vent et celle de la production annuelle estimée en fonction de la vitesse du vent moyen. Puissance électrique d'une éolienne La puissance cinétique d'une masse d'air en mouvement (cylindre en l occurrence) est donné par la formule : P = ½ ρ SV 3 ρ : masse volumique de l'air (1,23 kg/m3 à 15 c et 1013 hectopascal) S : section du cylindre d'air V : vitesse de déplacement de l'air La mécanique des fluides montre que la puissance maximale théorique disponible pour une éolienne (limite de Betz) est : P max disponible : 16/27 x ½ x ρ SV 3 soit 0,37 SV 3 S surface balayée par les pales exprimée en m 2 V vitesse du vent exprimée en m par seconde et intervenant à la puissance 3. exemple : une éolienne constituée de 2 pâles de 1 m (surface balayée Π x R 2 = 3,14 x 1 = 3,14 m 2 ) et soumise à un vent de 14 m/s ( 50 km/h) pourrait délivrer, si elle était une machine parfaite, une puissance de : 0,37 x 3,14x 14 x 14 x 14 = 3187 W Cette vitesse de 14 m/s est donnée par le constructeur comme étant la vitesse permettant de délivrer la puissance maximale. En fait suivant le type d'éolienne et le site d'installation la puissance max fournie est affecté d'un coefficient allant de 0,2 à 0,7 dans le meilleur des cas. Ce coefficient tient compte de différents rendements : rendement hélice ; 0,2 à 0,85 rendement multiplicateur ou réducteur : 0,7 à 0,98 rendement alternateur ou génératrice continue : 0,8 à 0,98 rendement transformateur 0,85 à 0,98 rendement redresseur : 0,9 à 0,98 rendement batteries 0,7 à 0,8, pertes de lignes 0,9 à 0,99. Ces différents rendements varient également en fonction de la vitesse. 1
Dans le cas de notre exemple précédent, le rendement global est de l'ordre de 0,4 (ce qui est un très bon rendement). Avec un vent de 14 m/s (46,8 km/h) l'éolienne fournira une puissance électrique maximale de : 3187 x 0,4 = 1275 W Production annuelle estimée la production annuelle estimée en kwh représente le nombre d'heures pendant lesquelles l'éolienne a fonctionné à la puissance considérée. Dans l'exemple précédent, si l'éolienne fonctionne à puissance maximale pendant un an (24 h x 365 j = 8760 h) la production annuelle sera de : 1275 W x 8760 h = 11169000 Wh soit 11169 kwh Quelques exemple de projets éoliens Extrait du site WINDEO Éoliennes de puissance nominale allant de 600W à 11k W Performances Puissance nominale Puissance maximale 600 W 1000 W 2400 W 5000 W 11 kw 800 W 1200 W (14 m/s) 2400 W 5000 W 11 kw Puissance à 95 W 150 W 410 W 1030 W 3140 W Puissance à 10 m/s 500 W 600 W 2000 W 4200 W 10 000 W Production dés 2 m/s 2, 3, 3, 3, Production jusqu'à 1 20 m/s 2 60 m/s 20 m/s Production annuelle estimée Rendement calculé à la vitesse max 825 kwh à 1300 kwh à 3600 kwh à 9018 kwh à 27500 kw à 0,46 0,38 0,27 0,34 0,13 Dimensions Diamètre rotor 1,85 m 1,96 m 3,72 m 5,4 m 13 m Surface balayée 2,69 m 2 3,02 m 2 10,87 m 2 23 m 2 133 m 2 Poids turbine 15 kg 28 kg 77 kg 270 kg 900 kg Vitesse de survie 4 50 m/s 63 m/s 60 m/s 52, Installations Mât Sur pignon 9 m 3 m 11 m 5 m 18 m 18 m 27 m Remarque : L'énergie produite peut être utilisée directement ou stockée dans des batteries pour une utilisation via un onduleur. 2
Fonctionnement d'une éolienne et rentabilité Une éolienne de par sa conception démarre avec un vent minimum de l'ordre de 2 à 4 m/s, elle atteint sa puissance maximale pour un vent de l ordre de 12 à 14 m/s, elle se stabilise aux alentours de ce régime, c'est à dire qu'elle reste à ce régime de fonctionnement et se coupe (décrochage des pales) pour des vents atteignant environ 2. Ces valeurs limites sont données par le constructeur et varient avec les modèles. Nota : Pour convertir des m/s en km/h il convient de multiplier les valeurs m/s par 3,6. 12 m/s = 12 x 3,6 = 43,2 km/h Pour convertir des km/h en m/s il suffit de diviser la valeur considérée par 3,6 90 km/h = 90/3,6 = 2 Si nous prenons le cas de l'éolienne de puissance nominale 1000 W Les pales balayent une surface de 1,96 m de diamètre, elle est installée sur un mât de 11 m dans une région qui est soumis à un régime moyen de vent de (cas identique à celui de la Savoie). Les performances sont les suivantes : Puissance maxi ou nominale : 0,37 x 3,14 x 14x 14 x 14 x 0,38 = 1200 W à 14 m/s Pour un régime moyen des vents de (18 km/h), la puissance moyenne fournie par l'éolienne sera de 150 W. Vous pourrez allumer une ampoule et peut être regarder la télévision si il y a du vent. Sur une année, si votre éolienne tourne en permanence (ce qui n'est jamais le cas) la production sera de 1300 kwh. Pour un prix moyen de 0,12 TTC du kwh, le gain de revente de l'énergie sera de l'ordre de 156 L'éolienne installée a coûté (hors réduction d impôt) 6000 à 7000 TTC, si on ajoute les frais inhérents au fonctionnement, et si on intègre partiellement le facteur de charge, le retour d'investissement est de l'ordre de 50 ans Le facteur de charge est le rapport entre le temps de fonctionnement effectif à pleine charge par rapport au temps total de disponibilité de l'équipement. Dans les régions ventées, ce facteur de charge est en 2010 de l'ordre de 20 %. Soit 73 j de fonctionnement sur une année (365 j). A titre d'information l'ademe, dans son guide «le petit éolien», donne l'exemple d'un projet de 1,5 kw nominal pour un vent moyen de. Le retour actuel global d'investissement est de 66 ans. Avec un taux d'actualisation à 1,25% le retour global n'est plus que de 50 ans Plus la taille de l'installation augmente, plus le retour global d'investissement diminue, à titre d 'exemple, l'ademe cite un projet nominal de 20kW avec un vent moyen de 7 m/s donnant un retour global d'investissement de l'ordre de 15 ans. 3
Production du courant Les aérogénérateurs sont des génératrices synchrones ou asynchrones (les plus courantes et les plus simples d'entretien). Le courant produit peut dans certains cas être utilisé directement (raccordement sur le réseau domestique), mais généralement le processus est plus complexe, on passe par un redresseur pour charger des batteries puis par un onduleur pour générer le courant que l'on va utiliser. Facteurs à prendre en charge dans un projet éolien Après avoir défini le dimensionnement du projet envisagé, un certains nombres de facteurs sont à prendre en charge. Le vent : La puissance fournie augmentant proportionnellement au cube de la vitesse du vent, une bonne étude est primordiale. Faire des relevés de vitesses du vent sur une période de un an à l'endroit précis ou l'on entend placer l'aérogénérateur (emplacement et hauteur par rapport au sol) La rose des vents fournie par Météo France renseigne également sur le régime des vents. Cette phase est essentielle dans le projet éolien. La fréquence des vents est plus importante que la force des vents Réglementation : La loi Grenelle 2 fait entrer les éoliennes dans le champ des installations classées pour la protection de l'environnement (ICPE). Les aérogénérateurs implantés sur un mât d'une hauteur inférieur à 12 m ne sont pas concernés. Une demande de déclaration de travaux est cependant nécessaire. Déclaration ICPE (incluant une notice d'impact) pour des aérogénérateurs implantés entre 12 et 50 m et pour une puissance inférieure à 20 MW. Un permis de construire est obligatoire (délivré par le maire ou le préfet (si la production est destinée à la revente)) Rachat obligatoire par EDF si on est en ZDE (zone de développement éolien). Hors ZDE la revente à EDF est sur la base de 8 centimes d'euros le kwh En ZDE, la revente est sur la base de 12 centimes d'euros le kwh Un contrat de raccordement est à faire établir avec le gestionnaire du réseau. Un contrat d'achat d énergie est également à faire établir avec le fournisseur d'énergie. Le raccordement au réseau vous imposera des contraintes techniques sur la définition de vos différents équipements. Voisinage Le voisinage est à prendre en compte dans ce genre de projet, les nuisances peuvent être de différentes natures mais principalement visuelles et sonores. Les émergences sonores diurnes sont de + 5 db(a) et nocturnes de +3 db(a). L'émission sonore moyenne des éoliennes est de 40 à 45 db(a).le milieu sonore en milieu rural est parfois très bas. Si il est de l'ordre de 35 db(a), votre projet risquera d'être annulé pour nuisances sonores. 4
Crédit d'impôt 2012 et aides Le crédit d impôt est de 32% des dépenses TTC (40% dans le cadre d'un bouquet de travaux) plafonné à 8000 pour une personne seule et à 16 000 pour un couple. Pour un couple la somme est majorée suivant le nombre de personnes à charge. Le taux de TVA est de 7% pour le matériel et l'installation (société agréée) Assurance Responsabilité civile : Elle est obligatoire, elle couvre les dommages pouvant être causés à des tiers pendant l'exploitation. Son coût est proportionnelle à la puissance. Garantie : Il vous appartient de négocier pour chaque élément de votre projet la durée de garantie en fonction du retour prévisible d'investissement. Localisation du projet L'emplacement doit être judicieux dans un endroit ne comportant pas de zones de turbulence. La taille de l'aérogénérateur a une incidence directe sur le dimensionnement du mât et sur son ancrage au sol. Cette implantation va de pair avec l'étude du vent, elles conditionnent la validité du projet. Les implantations en pignon de maison même pour des projets inférieur à 1 kw nominal sont fortement déconseillées. Les implantations sur cheminée même pour du mini éolien (600 W) sont des aberrations. La force exercer par le vent sur l'aérogénérateur peut s'exprimer par la formule F = 1,27 S V 2 Dans le cas de notre éolienne pour un vent de 1 (54 km/h) la force exercée en bout de mât sera de : 1,27 x 3,14 x 15x 15 = 897 Newton. Le couple s'exerçant au bout d'un mât de 11 m sera de l'ordre de 10000 N x m. Conclusion Le présent mémo n'est pas une étude exhaustive, il est destiné à faire prendre conscience des difficultés rencontrées dans la réalisation de projets de petit éolien (contraintes techniques, réglementaires, administratives, géographiques). Comme tous projets la phase étude est essentielle, elle permet la prise de décisions censées et évite les désagréments de dernières minutes particulièrement onéreux. L'éolien est une source autonome de production d'énergie électrique. C'est sa principale qualité. A ce jour, il est assez peu concurrentiel avec les autres sources d'énergies électriques couramment disponibles. Les incitations fiscales ne doivent pas masquer le peu de rentabilité d'un projet. La région qui nous concerne (Savoie) figure dans les zones ventées les plus défavorables en France à l'implantation de projets éolien. Compte tenu de la diversité des reliefs, il peut exceptionnellement exister des sites qui ne soient pas trop catastrophiques financièrement pour ce type de projet. Annexes : cartes des vents 5
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