REALISATION D UN BANC D ESSAI EOLIEN

Génie Thermique et Energie Grenoble IUT1 Université Joseph Fourier 2 ème année 2010/2011 Projet Tutoré : REALISATION D UN BANC D ESSAI EOLIEN Tuteur : Sébastien FERROUILLAT Etudiants : Thibault COURT - Joffrey GAVROY - Emile FELIX-FAURE Antoine MIMEUR - Sébastien MEJEAN - Franck MYNDLAS - Colin PINET

Sommaire SOMMAIRE...1 HISTORIQUE...4 INTRODUCTION...5 OBJECTIFS...5 1. GENERALITES SUR LES EOLIENNES...6 1.1. LES DIFFERENTS TYPES D EOLIENNES... 6 1.1.1 Axe horizontal...6 1.1.2 Axe vertical...7 1.1.3 Comparaison...8 1.2. RECHERCHE ET DEVELOPPEMENT... 8 1.2.1 Quelques chercheurs scientifiques...8 1.2.1.1 Albert Betz et sa théorie...8 1.2.1.2 Waloddi Weibull...9 1.2.1.3 Georges Darrieus, ingénieur français...9 1.2.2 Quelques avancées technologiques...9 1.2.2.1 Les éoliennes à bosses...9 1.2.2.2 Les effets de bord, le vortex...10 1.2.2.3 Développement des éoliennes volantes...11 1.3. PRESENTATION DES SYSTEMES ELECTRIQUES... 12 1.3.1 Système de conversion de l énergie de rotation en énergie électrique...12 1.3.2 Notions d électromagnétisme et composants électriques...13 1.3.2.1 L alternateur...13 1.3.2.2 Le transformateur...13 1.3.2.3 Loi de Faraday...14 1.3.2.4 Formules d électromagnétisme...14 1.3.3 Stockage de l énergie électrique...15 1.4. APPROCHE PAR LA MECANIQUE DES FLUIDES... 15 1.4.1 Les pales : système de récupération de l énergie du vent...15 1.4.2 Actions mécaniques génératrices et résistantes...16 1.4.3 Energies, puissances, rendements...17 2. REALISATION D UN BANC D ESSAI EOLIEN...18 2.1 CONCEPTION ET MODELISATION DU BANC D ESSAI... 18 2.1.1 Introduction...18 2.1.2 Constitution du banc...18 2.1.3 Montage électrique...19 2.1.4 Essai sur des aérogénérateurs horizontaux...19 2.1.5 Essai sur une éolienne à axe vertical...21 2.2 RESULTATS EXPERIMENTAUX... 22 2.2.1 Résistance optimale...22 2.2.2 Evolution des grandeurs électriques...22 2.2.3 Influence du nombre de pales...24 2.2.4 Influence du diamètre du rotor...25 2

2.3 REALISATION DE DEUX SUJETS DE T.P... 28 2.3.4 Premier sujet de T.P...28 2.3.5 Deuxième sujet de TP...30 3. L ENERGIE EOLIENNE...33 3.1. GENERALITES SUR L ENERGIE EOLIENNE... 33 3.1.1 L éolien dans le monde...33 3.1.2 Et l offshore?...34 3.1.3 L'éolien en France...34 3.1.4 Bilan carbone d un aérogénérateur...36 3.1.4.1 Coûts d installation d une éolienne...36 3.1.4.2 Constitution...36 3.2. AVANTAGES / INCONVENIENTS... 37 3.2.1 Les atouts de ce type d énergie...38 3.2.1.1 Une énergie renouvelable...38 3.2.1.2 Une source de richesse pour le secteur agricole...38 3.2.2 Les désavantages de cette production...39 3.2.2.1 Une production qui ne rime pas avec consommation...39 3.2.2.2 Une énergie non maitrisable...39 3.2.2.3 Une répartition sur le territoire des centrales électriques non homogène...40 CONCLUSION...41 REMERCIEMENTS...42 BIBLIOGRAPHIE...42 ANNEXE 1 : DEMONSTRATION DE LA LIMITE DE BETZ...44 ENERGIES CINETIQUES... 44 VARIATION D ENERGIE CINETIQUE... 44 PUISSANCE ABSORBEE PAR LE ROTOR... 45 CALCUL DE LA PUISSANCE MAXIMALE... 47 CALCUL DU COEFFICIENT DE PUISSANCE MAXIMAL... 47 ANNEXE 2 : DESCRIPTION DE LA VARIATION DU VENT : DISTRIBUTION DE WEIBULL...48 ANNEXE 3 : LES EOLIENNES DE LA HAUTE ATMOSPHERE...49 ANNEXE 4 : SCHEMA DES SUPPORTS DE L AEROGENERATEUR A AXE VERTICAL...51 ANNEXE 5 : L ENERGIE EOLIENNE REGION PAR REGION...53 3

Historique Le mot éolien vient du terme grec «Eole». Dans la Grèce Antique, Eole était le dieu du vent. L énergie éolienne est l énergie tirée du vent à l aide d un dispositif nommé aérogénérateur c'est-à-dire une éolienne, un moulin à vent. Elle fait partie des énergies dites : énergies renouvelable. L énergie du vent est utilisable de trois manières : Pour faire avancer les voiliers, pour puiser de l eau ou encore pour moudre le grain dans un moulin : conservation de l énergie mécanique, Par l intermédiaire d une éolienne, l énergie mécanique du vent est transformée en énergie électrique utilisable par les hommes, ce qui est le sujet de ce projet tutoré, Comprimer, pomper des liquides : transformation en force motrice. Un peu d Histoire, L énergie éolienne [1] est l une des plus anciennes sources d énergie utilisée par les hommes. Elle était présente bien avant l exploitation du charbon et d autres énergies fossiles. Son abandon est dut en principale à l apparition de la machine à vapeur, du moteur à explosion et diesel qui fournissaient à l homme une énergie mécanique bien plus importante et plus indépendante que l énergie éolienne. Les premières éoliennes ou aérogénérateurs étaient plus connus sous le nom de moulins à vent. Ce fut durant l antiquité que l on a vu apparaitre les premiers moulins notamment en Perse, en Irak, en Egypte et en Chine. Certains scientifiques s accordent à dire qu ils datent de sept siècles avant Jésus-Christ. Ils étaient utilisés principalement pour puiser l eau du sol afin d irriguer les cultures, et pour moudre le grain. Il a fallu attendre le Moyen-âge pour les voir apparaitre en Europe, sans doute permis grâce aux Croisés qui revenaient de l Asie mineure. Leur utilisation sert encore à moudre le blé et quelques autres graines. En Hollande, ils seront utilisés pour assécher les polders. L éolienne se développe aussi à l étranger. Elle fait sa première apparition en Amérique en 1870 La production d électricité à partir de l énergie du vent date du début du 20 ème siècle et est permise par l ingénieur français Darrieus. Mais comme nous le verrons, la part de l énergie produite à partir d aérogénérateurs est faible comparé aux énergies fossiles. Cet écart se creuse depuis 1830, date à laquelle les énergies fossiles ont pris le pas sur cette source d énergie. Mais alors voilà que depuis quelques années cette énergie délaissée depuis des décennies revient d actualité. En effet, les hommes on prit conscience que les ressources en énergies fossiles étaient limitées sur terre mais que le vent soufflerait toujours. Ils ont pris conscience 4

qu à l heure du réchauffement climatique, elle était une énergie non émettrice de gaz à effet de serre. Et ils ont pris conscience que c était une énergie gratuite. Introduction L éolien est un domaine relativement vaste et en perpétuel évolution. Ainsi, afin de répondre au mieux au sujet qui nous a été proposé et d en aborder les différents aspects, nous avons définie plusieurs objectifs qui symbolisent le fil conducteur de nos recherches, de nos études et de notre compte rendu. Ce projet se déroulera suivant trois axes de développement principaux. Dans un premier temps, nous exposerons les connaissances générales permettant de se familiariser et d acquérir une culture générale sur ce mode de production d énergie. Dans un deuxième temps, nous aborderons la réalisation de notre banc d essai à travers le matériel nécessaire et mise à notre disposition pour réaliser les mesures. De plus, ce projet a pour objectif principal de donner suite à un sujet de TP de deuxième année pouvant se greffer à celui de la soufflerie en mécanique des fluides, mais aussi de présenter un nouveau sujet complet. Dans un dernier temps, nous aborderons la partie la plus complexe et la plus médiatique de notre projet tutoré : l énergie éolienne. En effet, nous verrons en détail les aérogénérateurs autour de leur construction, et nous apporterons un bilan carbone sommaire pour ce type d énergie depuis leur construction jusqu à leur démantèlement. Objectifs - Créer un banc d'essai éolien à partir de plusieurs types d'éoliennes en ayant comme support la soufflerie de mécanique des fluides. - Conception, modélisation, étude, comparaison d'une éolienne à axe vertical de type savonius. - A partir du banc d'essai éolien, réaliser des mesures de puissances, de trainées, de vitesses de rotations. - Exploiter les résultats en comparant les caractéristiques principales avec les éoliennes génératrices d'électricité. - Proposer deux sujets de TP de mécanique des fluides de deuxième année. 5

1. Généralités sur les éoliennes 1.1. Les différents types d éoliennes Il existe deux grands types d aéromoteurs : - ceux à axe horizontal 1.1.1 Axe horizontal - ceux à axe vertical Parmi les éoliennes à axe horizontal, se distinguent les aéromoteurs classiques tripales. Cette conception s est imposée sur le marché mondial pour des raisons de stabilité de la structure. Figure 2 Eoliennes axe horizontal off-shore [3] Figure 1 Eolienne axe horizontal on-shore [2] Nous trouvons dans cette famille d aéromoteurs deux catégories, «on shore» et «off shore», ces termes américains permettent de distinguer si l éolienne est implantée sur terre ou à la surface de la mer. Ces dernières présentent de nombreux avantages : Au niveau des nuisances sonores car elles sont éloignées des habitations. De plus, les vents marins sont plus nombreux, plus forts et surtout plus réguliers. Ce sont des conditions essentielles pour la bonne production d électricité. En revanche, ces éoliennes sont beaucoup plus difficiles à installer et donc plus coûteuses. Figure 3 Aérogénérateur à axe vertical de type Savonius Sur la photo [4] ci-contre, on observe un aéromoteur à axe horizontal implanté sur la toiture d un bâtiment. La particularité de cette structure est que les six pales forment un «fouet». 6

1.1.2 Axe vertical Parmi les aéromoteurs à axe vertical, se distingue deux catégories. Les éoliennes dites de type Savonius et celles dites de type Darrieus. Un des principaux atouts de ces aéromoteurs est le générateur qui peut être placés au sol, ce qui simplifie la structure et la construction. Les éoliennes de type Savonius ont l avantage de démarrer à de faible vitesse du vent contrairement aux éoliennes de type Darrieus. Figure 4 Type Darrieus [5] Figure 5 Type Savonius [6] Ces éoliennes sont peu bruyantes et ne présentent aucune contrainte quant à la direction du vent. De plus, les éoliennes à axe vertical ont une plus petite envergure, et sont plus esthétique. Elles peuvent donc être intégrées à un bâtiment. En revanche leur rendement de production est faible. Et leur masse est non négligeable. 7

1.1.3 Comparaison Sur le graphique [7] ci-contre, on remarque dans un premier temps que les aéromoteurs à axe horizontal et à axe vertical de type Darrieus ont un meilleur rendement aérodynamique. Les aéromoteurs «américains» ont un nombre de pales important car ils évoluent à de faibles vitesses de rotation. Ils produisent un couple aérodynamique important afin de produire de l énergie mécanique (application de pompage). Enfin, on peut observer l influence du nombre de pales sur le rendement aérodynamique. Remarque : Le tip-speed ratio est le rapport entre la vitesse de rotation et la vitesse du vent. 1.2. Recherche et développement 1.2.1 Quelques chercheurs scientifiques Plusieurs savants sont à l origine d avancés mathématiques, physique et technologiques permettant le développement des éoliennes. 1.2.1.1 Albert Betz et sa théorie Albert Betz (1885-1968) est un physicien allemand, pionnier des technologies éoliennes. Il obtient en 1910 son diplôme d'ingénieur naval de l'université technique de Berlin. En 1911, Betz devient chercheur au laboratoire d'aérodynamique de l'université de Göttingen, où il obtient en 1919 son doctorat pour des travaux sur «la minimisation des pertes d'énergie des hélices de propulsion des bateaux». Il publie en 1920 l'article Das Maximum der theoretisch möglichen Ausnutzung des Windes durch Windmotoren («Maximisation de l'exploitation potentielle théorique du vent dans les moteurs à vent»). La Formule de Betz démontre qu'indépendamment du modèle de turbine, seuls 16/27ièmes (environ 59%) de l'énergie cinétique peuvent être transformés en 8

énergie mécanique. Son livre Wind-Energie und ihre Ausnutzung durch Windmühlen («L'énergie éolienne et son exploitation dans les moulins à vent»), publié en 1926, donne un bon aperçu de la connaissance de l'énergie et des turbines éoliennes à cette époque. ANNEXE 1 : Démonstration de la limite de Betz [8] 1.2.1.2 Waloddi Weibull Waloddi Weibull (1887-1979) En 1924, il devient professeur et obtient huit ans plus tard son doctorat à l'université d'uppsala. Il est employé dans différentes sociétés suédoises ou allemandes comme chercheur (roulements à billes et à rouleaux, marteau-piqueur) et ingénieur consultant. En 1939, il publie ses travaux sur la distribution de Weibull, utilisée en probabilité et statistique. Puis en 1941, il est nommé professeur de physique appliquée à l'institut royal de Stockholm, grâce à la société de fabrique d'armes Bofors. En 1951, il présente sa plus célèbre étude devant l' "American Society of Mechanical Engineers", à partir de sept études de cas. Ses travaux seront récompensés par la médaille d'or de l'asme en 1972 et par la grande médaille d'or de l'académie royale des sciences de Suède en 1978 pour l'ensemble de son travail (plus de 70 publications). ANNEXE 2 : Description de la variation du vent : distribution de Weibull [9] 1.2.1.3 Georges Darrieus, ingénieur français Georges Darrieus (1888-1979), est un ingénieur français. Il fut membre de l'académie des sciences. Il est connu principalement pour son éolienne à axe vertical, robuste et indépendante de la direction du vent. 1.2.2 Quelques avancées technologiques 1.2.2.1 Les éoliennes à bosses 9

Un professeur de biologie, Franck Fish s intéresse à une nouvelle forme d aile. En effet, il a observé les nageoires de certaines baleines, et il s est rendu compte qu elles étaient pourvues de petites bosses au niveau du bord d attaque. Après une étude réalisée par l Institut de l énergie éolienne du Canada (IEEC) les dits «tubercules» auraient pour atout de concentrer les flux d air. Ainsi, ce type de pales permet d élever la production de 20% en comparaison avec les pales standards. Encore mieux, cela réduit le bruit lié à la rotation la stabilité de l éolienne est accrut, elles peuvent démarrer à des vents plus faibles et continuer de tourner à des vents plus forts. [11] 1.2.2.2 Les effets de bord, le vortex Enfin, d après la figure ci-dessous, lorsque une aile est soumise à un flux, à l extrémité de celle-ci se crée un phénomène appelé vortex. Ce tourbillon est dangereux d une part. Il est aussi à l origine de vibrations et donc de bruit. Mais il est surtout consommateur d énergie. [12] Figure 6 Création d'un phénomène de bord Figure 7 Minix Un chercheur, Christian Hugues a donc imaginé une pièce (figure 7) qui viendrait s adapter à l extrémité des pales et réduirait la création de vortex : le Minix. Nous pouvons observer le vortex crée dans l image ci-dessous. En conséquence, la simple mise en place du Minix permet d avoir des lignes de courants plus ou moins parallèles, ce qui a pour conséquence d obtenir un flux mieux répartit en sortie d aile. [13] 10

Figure 8 Essai numérique sans Minix Figure 9 Essai numérique avec Minix Des essais ont permis de justifier son importance car il a pu observer une amélioration du rendement de l ordre de 7% à 14%, par effet de réduction de la trainée. Par ailleurs, les vibrations générées ont diminué considérablement comme sous l effet d un silencieux. Enfin, ses applications sont multiples : aéronautique, éolien,. 1.2.2.3 Développement des éoliennes volantes Alors que les scientifiques parlent du golf- Stream et de son possible arrêt dut au réchauffement climatique, des chercheurs s intéressent aux jet-streams, ces vents violents et puissants qui évoluent dans la haute atmosphère et représentent pour le secteur de l éolien un gisement énergétique énorme. En effet, ces vents vont à plus de 200 km/h pour des altitudes allant de 1 000 m à 10 000 m. Cela représente des densités de puissance de quelques kw par m². Pour exemple, selon un rapport de Cristina Archer, chercheuse en aérologie à l université d Etat de Californie et de Ken Caldeira, du département d écologie globale de l Institution Carnegie (Stanford), les métropoles telles que New-York, Séoul voient dans leur atmosphère des puissances surfaciques de environs 10 kw/m². En comparaison avec les fermes On-Shore, cela représente plus de 50 fois les puissances terrestres. Différents modèles d éoliennes volantes ont été créés depuis quelques années. Verra-t-on un jour ces prototypes prendre formes? ANNEXE 3 : Les éoliennes dans la haute atmosphère [14] 11

1.3. Présentation des systèmes électriques 1.3.1 Système de conversion de l énergie de rotation en énergie électrique Une éolienne est composée de plusieurs parties dont la nacelle qui comprend les différents composants électriques utilisés pour transformer l énergie mécanique de rotation des pales en énergie électrique. [15] Figure 10 Schéma général d'une éolienne Figure 11 Schéma de la nacelle Tout d abord, la turbine est composée dans notre cas de trois pales reliées entre elles par le moyeu. Celui-ci contient, les vérins de réglage du pas des pales utilisé afin d optimiser le rendement de l aérogénérateur selon la vitesse du vent. Par ailleurs, le moyeu est lié à un arbre primaire qui en rotation entraîne un arbre secondaire par l intermédiaire d un multiplicateur utilisé comme son nom l indique pour démultiplier la vitesse de rotation des pales. Ce second arbre est utilisé pour entrainer les bobines de l alternateur et générer un courant électrique, ce qui sera abordé dans la seconde partie. En outre, étant donné que le vent ne souffle pas toujours dans la même direction, il est important afin d augmenter le temps de fonctionnement d une éolienne de pouvoir l orienter perpendiculairement à la direction du vent. Ainsi, un système d orientation composé dans la plupart des cas par un anémomètre, une girouette ultrasoniques et par un contrôleur 12

d orientation commande le moteur situé entre le mat et le châssis. Pour les petits aérogénérateurs, un safran placé en fin de nacelle permet d orienter facilement les pales face au vent. De plus, les grandes éoliennes sont composées d un système électronique de régulation très complexe qui ne sera pas abordé dans ce projet. 1.3.2 Notions d électromagnétisme et composants électriques 1.3.2.1 L alternateur L'alternateur est composé d une partie tournante, le rotor et d une partie fixe, le stator. Le rotor est entrainé par la rotation de l arbre secondaire lui-même en rotation grâce aux pales. Pour symboliser, le stator est composé d une bobine qui correspond à l induit fixe. Le rotor porte l'enroulement inducteur : l électroaimant. Il est constitué d'un enroulement alimenté en courant continu par des contacts glissants (balais, charbons). Figure 12 Schéma d'un alternateur 1.3.2.2 Le transformateur Le transformateur est une machine statique permettant de modifier l amplitude d une tension alternative. Il est composé schématiquement de deux enroulements, l un primaire, l autre secondaire. Ainsi, le champ magnétique qui traverse ces deux bobines génèrent deux courants de tensions différentes. 13

N N 2 m = = 1 V V 2 1 On a m le rapport de transformation avec N 1 et N 2 respectivement le nombre de spires des enroulements un et deux et V 1 et V 2 respectivement les valeurs efficaces des tensions des bobines 1 et 2. 1.3.2.3 Loi de Faraday La rotation d une bobine dans laquelle circule un courant électrique est équivalent à un aimant. Cet aimant représente l inducteur. La rotation de l aimant crée un champ magnétique qui va venir perturber le circuit induit et va créer un courant à l intérieur de l induit. On dit que ce courant est induit par le système inducteur. Ainsi, selon la loi de Faraday : le courant induit augmente avec la vitesse de déplacement de l inducteur et est proportionnel au flux du champ magnétique à travers le circuit. Enoncé : la f.e.m générée par l inducteur est égal à l opposé de la dérivée du flux magnétique par rapport au temps. e( t) = dφ dt Remarque : Sur les grandes éoliennes (supérieures à 100 à 150 kw), la tension générée par l'éolienne est le plus souvent un courant alternatif triphasé de 690 V. Le courant est ensuite conduit à travers un transformateur situé juste à côté de l'éolienne (ou bien à l'intérieur) pour augmenter la tension à approximativement 10 000 à 30 000 V, selon le standard du réseau électrique local. 1.3.2.4 Formules d électromagnétisme Ф : flux du champ magnétique (Wb [Weber]) Φ = NBS cos( ωt) N : Nombres de spires de la bobine induite B : Champ magnétique Ω : Vitesse de rotation (rad.s -1 ) ω = f N f: fréquence en Hz N : Paires de pôles 14

ω : Vitesse de rotation (rad.s -1 ) 1.3.3 Stockage de l énergie électrique Le système de loin le plus utilisé pour stocker l énergie électrique est celui par batterie d accumulateurs. Celles au plomb, bien que lourdes et encombrantes, s accommodent bien des fluctuations propres au vent. Par ailleurs, l électricité est souvent stockée d une manière tout à fait différente. En effet, elle est utilisée pour remonter de l eau dans les barrages hydrauliques du réseau. Figure 13 Batteries au Cadium-Nickel 1.4. Approche par la mécanique des fluides 1.4.1 Les pales : système de récupération de l énergie du vent Une pale d aéromoteur n est pas comparable sur le point de vue de l utilisation à une aile d avion. Elle a un objectif essentiellement moteur contrairement au rôle porteur dans l aéronautique. Comme on peut le voir sur l image ci-dessous, l extrados est plus long que l intrados, ce qui a pour conséquence que le fluide a une vitesse plus importante au niveau de l extrados et donc crée une différence de pression. F z F F x Vent Cette différence de pression est à l origine de la portance. Une autre force rentre en jeu : la trainée. Les fabricants d éolienne ont pour objectifs de réduire au maximum la trainée car elle agit comme un frein. 15

1.4.2 Actions mécaniques génératrices et résistantes Une aile est soumise à deux grands types de forces : - la force de portance F z = 1 2 C z ρsv ² Avec : F z : force de portance (N) C z : coefficient de portance ρ : masse volumique du fluide (kg.m -3 ) S : surface de référence (m²) V : vitesse du fluide (m.s -1 ) - la force de trainée F x = 1 2 C x ρsv ² Avec : F x : force de trainée (N) C x : coefficient de trainée ρ : masse volumique du fluide (kg.m -3 ) S : surface de référence (m²) V : vitesse du fluide (m.s -1 ) L action aérodynamique totale ou résistance de l air est la résultante de ces deux forces F = 1 CrρSV ² 2 Avec : F : force totale (N) C r : coefficient aérodynamique total ρ : masse volumique du fluide (kg.m -3 ) S : surface de référence (m²) V : vitesse du fluide (m.s -1 ) 16

Les trois forces sont reliées par les relations : F x ²+F z ²=F² et C x ²+C z ²=C r ² 1.4.3 Energies, puissances, rendements On peut remarquer qu une éolienne possède une vitesse optimale de fonctionnement pour laquelle son coefficient de puissance ou rendement est maximum. Ce pic varie selon les caractéristiques de l éolienne c'està-dire la vitesse du vent, le diamètre de son rotor, la charge du système de génération, le profil des pales. Le Cp ou coefficient de puissance d une éolienne est égal au rapport de la puissance électrique récupérée en sortie de la génératrice divisé par la puissance totale offert par le vent et auquel est soumis l aérogénérateur. Afin, d avoir une approche plus réaliste de ce rendement, il est préférable de prendre en compte le rendement de 60% de la théorie de Betz en remplaçant la puissance totale par la puissance expérimentalement récupérable. La puissance délivrée par le vent dépend de la masse volumique de l air, de la surface de référence de la turbine, ainsi que de la vitesse du vent. Pvent = 1 ρ SV 2 3 Il existe donc un rendement entre la puissance du vent et la puissance récupérable théoriquement. Cela est appelé la limite de Betz, c est-à-dire qu une éolienne parfaite ne pourra extraire seulement 60 % de la puissance du vent disponible car la vitesse du vent en sortie ne peut être nul, il faut obligatoirement un écoulement d air en sortie de turbine. 16 1 P Betz = ρsv 27 2 Par conséquent, on définit le Cp de la manière suivante : 3 C = p P récupérée P Betz 17

2. Réalisation d un banc d essai éolien L objectif principal de ce projet tutoré est de réaliser un banc d essai éolien comme l intitule le sujet afin de construire un sujet de TP de deuxième année. Une soufflerie est mise à notre disposition sur laquelle nous devrons adapter ce banc d essai. 2.1 Conception et modélisation du banc d essai 2.1.1 Introduction Pour la réalisation de notre banc d essai, le cahier des charges nous imposait de trouver une éolienne de diamètre assez faible pour pouvoir rentrer sans problème dans la soufflerie sachant que celle-ci dispose d une gaine de 300x300mm. Cette contrainte nous a amené à commander notre éolienne sur le site a4 technologie. Cette éolienne, initialement comprise dans un banc d essai, est spécialement conçue pour des essais et expérimentations en classe autour de la production d énergie éolienne. Nous avons dû adapter cette éolienne aux spécificités de la soufflerie en trouvant un moyen d attache à la balance et des moyens de mesures plus précis et fiables que ceux compris dans le banc. 2.1.2 Constitution du banc Pour la réalisation de notre banc d essais nous avions besoin de: - Un aérogénérateur, - Un Voltmètre, 18

- Un Ampèremètre, - Un tachymètre, - Du scotch réfléchissant, - Trois résistances réglables (branchées en parallèles en monophasé et en étoile lorsque l on teste l alternateur en triphasé), - Tubes de 12mm pour fixer l éolienne à la balance. 2.1.3 Montage électrique Le montage électrique est des plus simples. En effet, il consiste simplement à dissiper l énergie produite dans une résistance variable, tout en mesurant la tension et l intensité du circuit. De plus, un tachymètre était utilisé pour mesurer la vitesse de rotation des pales. Aérogénérateur Figure 14 Schéma électrique du banc d'essai Remarque : Trois résistances ont été mises en parallèle afin d améliorer l évacuation de l énergie par effet Joule sous les conseils du professeur d électricité Pierre Alain Gilles. Nous avons pu observer une amélioration des rendements sur différents tests (voir résultats expérimentaux). 2.1.4 Essai sur des aérogénérateurs horizontaux Après montage, notre éolienne est enfin prête pour commencer les tests: 19

Voltmètre Eolienne Balance Résistance variable Ampèremètre Figure 15 Photo du banc d'essai et de ses appareils de mesures Anémomètre à hélice Thermomètre Afficheur de l anémomètre Figure 16 Afficheur digital de la balance 20

La modularité de notre éolienne nous a permis de pratiquer des tests avec plusieurs configurations : bipales, tripales ou plus, et plusieurs diamètres de rotor : 2.1.5 Essai sur une éolienne à axe vertical Dans le but de comparer les 2 différentes technologies d éoliennes, nous avons entrepris la construction d une petite éolienne à axe vertical de type Savonius. Cette éolienne, dont la conception peut paraître des plus simples, nous a confrontés à des problèmes de fabrication. En effet, la miniaturisation de ce type d aérogénérateur entrainait des difficultés de rotation et d aérodynamisme dû principalement aux matériels utilisés pour la construire. Par conséquent, les essais réalisés n étant pas concluant, nous n avons pas pu obtenir de résultats exploitables. Figure 17 Montage manuel Lors de la conception de l éolienne verticale dite de type «Savonius», nous nous somme appuyé les données trouvés dans de nombreux ouvrages. Afin d obtenir une performance optimale il faut respecter le rapport : e/d = 1/6 21

ANNEXE 4 : Schéma des deux types de supports utilisés pour l éolienne à axe verticale. 2.2 Résultats expérimentaux 2.2.1 Résistance optimale Recherche de la résistance optimale pour une puissance maximale Vitesse du vent constant: v=13m/s 2,72 2,71 2,70 Puissance (W) 2,69 2,68 2,67 P (mw) 2,66 2,65 85,00 86,00 87,00 88,00 89,00 90,00 91,00 92,00 Résistance (Ohm) Ce graphique montre nos travaux réalisés afin de déterminer la résistance optimale. Nous avons mesuré la puissance récupérée pour différentes valeurs de la résistance placée en série dans le circuit électrique. Notre dernier essai est représenté sur ce graphique, afin d affiner le résultat nous avons fait varier la résistance entre 85.5 à 91.5 Ohm. Pour une vitesse du vent de 13 m/s et avec une éolienne tripale de 15cm de diamètre la résistance optimale est de 90 Ohm. 2.2.2 Evolution des grandeurs électriques 22

0,35 Variation de l'intensité en fonction de la vitesse du vent 0,30 Intensité (A) 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 9340 Ohm 90 Ohm 100000 Ohm 1000 Ohm 0,00 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Vitesse de l'air (m/s) Ce graphique montre l augmentation de l intensité lorsque la vitesse du vent augmente, de plus on peut observer l influence de la résistance électrique placée en série. Plus la résistance est faible plus l intensité obtenue est grande (ce résultat est vrai pour des résistances supérieures à 90 Ohm). La résistance de 90 Ohm permet d obtenir la plus grande intensité. Evolution de la tension en fonction de la vitesse du vent 450 400 350 Tension (mv) 300 250 200 150 U (mv) 100 50 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Vitesse du vent (m/s) Sur ce graphique nous pouvons voir l évolution de la tension en fonction de la vitesse du vent. Il s avère que celle-ci augmente jusqu'à une vitesse de vent de 14 m/s pour ensuite 23

plafonner à environ 380 mv. (Étude réalisé sur une éolienne tripale de 15 cm de diamètre). 2.2.3 Influence du nombre de pales Force de trainée pour des éoliennes de 15 cm de diamètre en fonction du Reynolds 3,50 3,00 2,50 Fy (N) 2,00 1,50 1,00 0,50 bipale tripale six pales 0,00 0,E+00 1,E+04 2,E+04 3,E+04 4,E+04 5,E+04 6,E+04 Reynolds Ce graphique montre l évolution de F(y), la force de trainée générée par l éolienne en fonction du Reynolds. Il est judicieux d observer l évolution de la couche limite qui selon le type d aéromoteurs passe du régime laminaire au régime turbulent aux environs d un Reynolds de 4.10 4. Cette évolution est caractéristique des objets sphériques. Pour calculer le nombre de Reynolds nous avons utilisé la formule : Re = U*L / υ Avec U la vitesse du vent (m/s), υ la viscosité cinématique de l air (m²/s), et L la longueur caractéristique (m) nous prendrons systématiquement L = 3cm (largeur maximum des pales). 24

30% Influence du nombre de pales sur le rendement (basé sur Betz) 25% Rendement (%) 20% 15% 10% 5% tripale 15 cm six pales 0% 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 Reynolds Ce graphique montre l évolution du rendement en fonction du Reynolds. On observe que pour une éolienne six pales le maximum de rendement est atteint pour une petite valeur du Reynolds comparé à une éolienne tripale. 2.2.4 Influence du diamètre du rotor Puissance en fonction de la vitesse du vent 45,00 40,00 35,00 30,00 Puissance (W) 25,00 20,00 15,00 10,00 5,00 0,00 tz Diamètre 15cm 0,42 1,16 1,73 3,38 4,49 7,41 Diamètre 20cm 0,75 2,06 3,07 6,00 7,99 13,18 Diamètre25cm 1,17 3,22 4,80 9,38 12,48 20,60 Limite de Betz pour un diamètre de 25cm 2,180555556 5,983444444 8,931555556 17,44444444 23,21855556 38,32544444 25

Ce graphique montre l évolution de la puissance récupérée à l alternateur en fonction de la vitesse du vent pour trois diamètres d éoliennes différents. On observe une augmentation logique de la puissance récupérée. 900 Evolution de la puissance surfacique en fonction de la vitesse du vent Puissance surfacique (W/m²) 800 700 600 500 400 300 200 Diamètre 15cm Diamètre 20cm Diamètre 25cm Limite de Betz 100 0 0 2 4 6 8 10 12 14 Vitesse du vent (m/s) Remarque : On peut noter que quel que soit le diamètre du rotor, la puissance surfacique sera la même. En effet, les trois courbes représentant les différents types de rotor sont juxtaposées. Ceci confirme bien que la puissance récupérée par une éolienne est proportionnelle à la surface balayée par ses pales. On peut par ailleurs remarquer l écart entre les deux courbes cidessus qui représente la différence entre la limite de Betz et la puissance réellement récupérée par l éolienne. 26

LOG ( P/S ) en fonction de LOG ( V ) 3,5 LOG ( P/S ) en (W/m²) 3 2,5 2 1,5 1 0,5 y = 3x - 0,4491 Diamètre 15 cm Diamètre 20 cm Diamètre 25 cm Limite de Betz 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 LOG ( V ) en (m/s) D après la loi de Betz, P = Cp 0.5 ρ S V 3 P/S = Cp 0.5 V 3 LOG (P/S) = LOG (Cp 0.5 V 3 ) = LOG (Cp 0.5 ρ) + 3 LOG (V) A l aide du graphique précédent nous avons pu retrouver expérimentalement le facteur 3 correspondant à l exposant appliqué à la vitesse dans la loi de Betz. Ce qui confirme que la puissance est fonction de la vitesse au cube. 25% Evolution du rendement (basé sur Betz) en fonction du Reynolds pour trois diamètres de pale rendement (%) 20% 15% 10% 5% tripale 15 cm tripale 20 cm tripale 25 cm 0% 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 Reynolds 27

Ce graphique montre l évolution du rendement (basé sur Betz) en fonction du Reynolds, pour trois diamètres de rotor différents. On remarque que plus le diamètre est grand plus le rendement maximal est obtenu pour de faible valeur du Reynolds. De plus, ces trois essais ont été effectués dans des conditions similaires on peut donc conclure que l aéromoteur à diamètre 15 cm obtient la meilleure valeur de rendement. 2.3 Réalisation de deux sujets de T.P 2.3.4 Premier sujet de T.P Plusieurs principes peuvent être découvert au fur et à mesure du TP : - Quantification de la puissance du vent - Conversion de l énergie cinétique du vent en énergie électrique - Contrôle et exploitation de la puissance fournie par l éolienne Quelques notions sont indispensables : - Notion de puissance et d énergie mécanique - Notion de puissance électrique en courant continu Objectifs : - Se familiariser avec la production d énergie d un aérogénérateur et ses contraintes de fonctionnement. - Avoir une approche de l influence de la modification du diamètre du rotor sur les performances de l éolienne - Conclure sur les performances et les conditions optimales d utilisation de ce type d éolienne On rappellera que la puissance que l éolienne peut capter vaut : P vent = 0.5 ρ S V 3 Malheureusement, cette énergie ne peut être captée totalement car la vitesse du vent en aval de l éolienne ne pourra jamais être nulle. La théorie de Betz démontre qu il existe un rendement d environ 60% en premier lieu sur l énergie cinétique du vent. P Betz = 16/27 0.5 ρ S V 3 28

Par ailleurs, il faut savoir que l énergie électrique débité par l éolienne est calculé à partir de la relation suivante : Partie pratique : P=UI A l aide du matériel fournit, réalisez ce montage électrique : Questions : 1) Calculez pour des vitesses de vent de 5 à 20 m/s, la puissance du vent théorique récupérable à partir de la page Excel fournie pour l éolienne tripale de diamètre 15 cm - A l aide du dispositif installé, relevez la vitesse de rotation des pales ainsi que l intensité et la tension aux bornes de l alternateur. Insérez ces résultats dans le tableau n 2 d Excel. 2) Calculez la puissance utile obtenue et donner le rendement réel global de l éolienne ainsi que celui basé sur la théorie de Betz. 3) Tracez les courbes : - Puissance globale en fonction de la vitesse du vent - Puissance de Betz en fonction de la vitesse du vent - Rendement de Betz en fonction de la vitesse du vent - Rendement globale en fonction de la vitesse du vent - Vitesse de rotation en fonction de la vitesse du vent 4) Conclure sur les résultats obtenus. 29

Ne dépassez pas la vitesse de 20m/s, cela pourrait endommager le matériel et les résultats seraient faussés à cause des nombreux frottements. Objectifs du TP : 2.3.5 Deuxième sujet de TP - Réalisez une étude complète sur le domaine de l éolien. - Comparez plusieurs éoliennes et démontrer certaines caractéristiques de celles-ci. - Avoir une approche de l influence de la modification du diamètre du rotor sur les performances de l éolienne. - Conclure sur la place de l énergie éolienne dans le monde d aujourd hui et de demain. Notions indispensables pour ce sujet : - Notion de puissance et d énergie mécanique - Notion de puissance électrique en courant continu Recherches Internet : Citez quatre grands fabricants d éoliennes et leur nationalité. Quels sont les principaux critères de choix d un site éolien? Que signifie le terme off-shore? Qui sont les leaders européens dans le domaine? Quels sont les trois éléments principaux d une éolienne? Citez deux types d éoliennes à axe verticale et expliquer leur différence? Partie pratique : A l aide du matériel fournit, réalisez ce montage électrique : 30

Vous disposez de plusieurs types d éoliennes à axe horizontale : - Eolienne tripale (d=15cm) - Eolienne tripale (d=20cm) - Eolienne tripale (d=25cm) - Eolienne bipale (d=15cm) - Eolienne à six pales (d=15cm) Une fois le montage réalisé, relevez pour chaque éolienne : - La tension aux bornes de l alternateur (mv) - L intensité aux bornes de l alternateur (ma) - La vitesse de rotation (tr/min) - La traînée Fy (N) Insérez ces différents résultats dans un tableau pour chaque éolienne. On rappellera que la puissance que l éolienne peut capter vaut : P vent = 0.5 ρ S V 3 Malheureusement, cette énergie ne peut être captée totalement car la vitesse du vent en aval de l éolienne ne pourra jamais être nulle. La théorie de Betz démontre qu il existe un rendement d environ 60% en premier lieu sur l énergie cinétique du vent. P Betz = 16/27 0.5 ρ S V 3 Par ailleurs, Il faut savoir que l énergie électrique débité par l éolienne est calculée à partir de la relation suivante : 31

P=UI Calculer pour chaque éolienne : - P vent - P Betz - P élec - Rendement de Betz (Rapport entre la puissance récupérée sur la puissance de Betz) - Rendement global (Rapport entre la puissance récupérée sur la puissance du vent). Effectuez le tracé des courbes représentant : - Rendement global en fonction de la vitesse du vent - Vitesse de rotation en fonction de la vitesse du vent - Puissance électrique en fonction de la vitesse du vent - Force de traînée en fonction du Reynolds (on prendra comme longueur de référence la largeur maximale d une pale) Sur chaque tracé, superposez l évolution de toutes les éoliennes. Pour ce dernier tracé, donnez une valeur moyenne passage de laminaire à turbulent et expliquez ce phénomène. - LOG (P vent /S) en fonction du LOG(V). Redémontrer la formule de la puissance qui évolue comme la vitesse du vent au cube. Commentez les différents tracés et expliquez l importance d avoir une éolienne avec une grande envergure. Exposez les avantages et inconvénients des différentes propriétés des éoliennes proposées ici. D après vos résultats, et avec l aide d internet, que pensez-vous de la place de l énergie éolienne au niveau mondial? ATTENTION! Ne dépassez pas la vitesse de 20m/s, cela pourrait endommager le matériel et les résultats seraient faussés à cause des nombreux frottements. 32

3. L énergie éolienne Dans cette dernière partie nous exposons la place de l énergie éolienne dans le monde, un bilan carbone sur la construction d un aéromoteur, les avantages et les inconvénients de cette source d énergie. L énergie éolienne ne peut être la seule source d énergie pour répondre au besoin de consommation de la planète, néanmoins elle s avère très adaptée dans certaine situation (exemple : site isolé). 3.1. Généralités sur l énergie éolienne 3.1.1 L éolien dans le monde La Chine est actuellement le deuxième producteur d'énergie éolienne derrière les Etats-Unis. A fin 2009, la capacité mondiale de l'éolien s'est élevée à 159 GW et le chiffre du secteur a atteint 50 milliards d'euros. Une capacité totale de plus de 200 GW doit être atteinte en 2010. A eux seuls, les Etats-Unis représentent 25,9% des capacités mondiales. [16] Position 2009 Pays Capacité totale fin 2009 (MW) Capacité ajoutée en 2009 (MW) Croissance 2009 (%) Position 2008 Capacité totale fin 2008 (MW) 1 Etats-Unis 35159 9922 39 1 25237 2 Chine 26010 13800 113 4 12210 3 Allemagne 25777 1880 8 2 23897 4 Espagne 19149 2460 15 3 16689 5 Inde 10925 1338 14 5 9587 6 Italie 4850 1114 40 6 3736 7 France 4521 1117 33 7 3404 8 Royaume-Uni 4092 897 28 8 3195 9 Portugal 3535 673 24 10 2862 10 Danemark 3497 334 11 9 3163 33

3.1.2 Et l offshore? A ce jour, la Grande-Bretagne est le premier producteur d'énergie éolienne offshore mondial. L Allemagne, avec ses 500 km de côtes, table sur 25 GW. La France ne compte à ce jour aucun parc éolien offshore en fonctionnement. Le premier de ses parcs offshore, d'une puissance de 105 MW verra le jour à Veulette-sur-Mer en 2011-2012. 3.1.3 L'éolien en France Figure 18 Evolution de la puissance installée depuis 1997 Second gisement éolien d'europe (ressources en vent) après le Royaume-Uni, la France développe actuellement l'exploitation de son potentiel éolien important. Selon EDF, «parmi les énergies renouvelables, l éolien a le plus fort potentiel de développement et représentera 34

une part majoritaire dans la production d énergies renouvelables hors hydraulique. L éolien apportera ainsi sa contribution à l indépendance énergétique de la France» Fin 2009, le parc, largement réparti sur le territoire, approchait les 4 600 MW, pour une production de 7,6 TWh, soit 1,5% de la consommation électrique nationale. Mais 5 régions (Picardie, Lorraine, Bretagne, Centre et Champagne-Ardenne) sont mieux équipées avec 55% de la puissance installée. Les éoliennes raccordées au réseau électrique sont le plus souvent regroupées dans un parc éolien d'environ 5 à 50 machines, mais il existe aussi des machines isolées. On note également l'existence d'un projet, non encore réalisé, visant à intégrer des éoliennes de type Darrieus dans les pylônes électriques: le projet Wind'It. Remarque : Wind-It se base sur un principe simple pour répartir des éoliennes : utiliser les pylônes électriques pour les accueillir. Le gros avantage de ces pylônes, c'est que, malgré leur implantation souvent discutable, personne ne songe à les retirer du paysage... Le projet permettrait de superposer un réseau d éoliennes à axe vertical (type Darrieus) au réseau existant de transport et de distribution de l électricité ce qui évite l installation de nouvelles lignes et mise sur une accumulation de petits générateurs éoliens plutôt que sur des infrastructures ponctuelles très volumineuses. Selon les premières simulations, l équipement d un tiers des pylônes sur le territoire permettrait de générer l équivalent de deux centrales nucléaires. Le gestionnaire du réseau électrique français, estime que l'intégration de l'électricité éolienne dans le réseau actuel est possible sans difficultés majeures à hauteur de 10 à 15 GW, en particulier grâce à la présence en France de trois gisements de vent indépendants, qui permettront un lissage de la production bien meilleur qu'en Allemagne ou au Danemark. Figure 19 Répartition des vents en France 35

ANNEXE 5 : L énergie éolienne région par région 3.1.4 Bilan carbone d un aérogénérateur 3.1.4.1 Coûts d installation d une éolienne Les coûts d'installation comprennent principalement : - les fondations (béton, acier) - la construction de voies nécessaire pour acheminer le matériel - le transport du matériel et du béton - l aérogénérateur - le raccordement au réseau électrique Les coûts de la construction de voies et de fondations dépendent de la constitution du sol qui doit être capable de supporter un camion de 30 tonnes. D'autres facteurs variables sont la distance à la route ordinaire la plus proche, les coûts de transport au site d'une grue mobile, et la distance à une ligne à haute tension capable de manier la production maximale d'énergie de l'éolienne. Les frais de transport de l'éolienne sont parfois compris dans le calcul des coûts d'installation, mais ils n'excèdent normalement pas environ 15 000. 3.1.4.2 Constitution Une éolienne est pour l'essentielle construite en acier, or la production d'une tonne d'acier est donc responsable de l'émission de 1,5 tonnes de CO2 par an en France (source: ADEME, projet ODYSSEE). Le cahier technique de l'éolienne choisie comme support d'étude indique l'utilisation d'environ 260 t d'acier et ferrailles ce qui représente a une émission de CO2 de 390t. 36

Calcul du CO2 émis par la production du béton : [17] Pour résister au vent une éolienne doit avoir son centre de gravité situé sous le niveau du sol. Pour cela il est nécessaire de la fixer sur une importante masse de béton: - Le ciment est le résultat de la calcination à 1450 d'un mélange de 20 à 30% d'argile avec du calcaire. Cette transformation dégage du CO2. - La production d'un mètre cube de béton correspond au dégagement de 56 kg de CO2 or la semelle de l'éolienne considérée de 2 MW nécessite 850 m 3 de béton ce qui correspond au relâchement de 48 tonnes de CO2. Par exemple : La société TOTAL a construit à Mardyck un ensemble de 5 éoliennes de puissance totale de 15 MW utilisant 1600 m 3 de béton pour les fondations. Ce dernier exemple correspond à un dégagement de CO2 de 90 tonnes. On aboutit ainsi à une estimation grossière d'une dizaine de kg de CO2 dégagé par kw installé soit 20 tonnes pour une installation de 2000 kw. Le ciment doit être transporté sur le chantier par des camions toupie qui ont en général un volume de 8 m 3, il faut donc 107 transports pour les 850 m 3 de béton. Ces camions émettent à minimum 600 g de CO2/km parcouru. Sur un trajet de 20 km par camion on trouve une émission totale de 1,3 tonne de gaz carbonique. Sur une durée de vie de 30 ans et avec un facteur de charge de 0,25, l'éolienne de 2GW produit 131 GWh d'énergie (30ans x 365 jours x 24 h x 2 GW x 0,25). La production d'électricité en France est responsable de l'émission de 60 à 120 g de CO2 par kwh (source: ADEME). => L'éolienne considérée ici permet donc de faire l'économie de 131 GWh x 60 g = 7860 t de CO2 soit 8000 tonnes environ pour la fourchette basse et le double pour la fourchette haute. 3.2. Avantages / Inconvénients La France possède trois façades de vents puissants : la Manche, l Atlantique et la Méditerranée. Cela place la France en seconde position derrière l Ecosse en Europe concernant la proportion du vent sur le territoire. Alors que la France s est engagée à atteindre 20% d électricité renouvelable en 2020, cette énergie fait aujourd hui débat. Nous allons donc aborder dans cette sous-partie, les différents arguments pour ou contre. 37

Figure 20 Proportion des énergies renouvelables 3.2.1 Les atouts de ce type d énergie 3.2.1.1 Une énergie renouvelable Cette énergie renouvelable est indéfiniment durable et propre, elle ne nécessite aucun carburant, ne crée pas de gaz à effet de serre (sauf pour la fabrication et l implantation de l éolienne), ne produit que très peu de déchets toxiques et aucun déchet radioactif car les éoliennes sont constituées principalement de béton (socle), métal et de matières plastiques. C est l énergie la moins chère de toutes les énergies renouvelables. Les aérogénérateurs sont capables de produire de l électricité sans dégrader la qualité de l air, sans polluer les eaux, sans polluer les sols. Selon EDF «l'énergie éolienne se révèle une excellente ressource d'appoint d'autres énergies, notamment durant les pics de consommation, en hiver par exemple.» Elle permet également de préserver les ressources hydriques. 3.2.1.2 Une source de richesse pour le secteur agricole Cette énergie à d autres avantages, lorsque de grands parcs d éoliennes sont installés sur des terres agricoles, seulement 2 % du sol environ est requis pour les éoliennes; la surface restante est disponible pour l exploitation agricole, l élevage et d autres utilisations. De plus ces terres sont louées, cela fait de nouveaux revenus aux agriculteurs. L énergie éolienne peut servir de stimulus au développement de l économie rurale, elle est l une des sources les plus économiques de nouvelle production d électricité à grande échelle. 38

En plus une éolienne est en partie recyclable (acier, béton), à la fin de ça durée de vie (environ 20 ans), elle est entièrement et rapidement démontable, elle n aura laissé aucun produit contaminant autour d elle et pourra être facilement remplacée. 3.2.2 Les désavantages de cette production 3.2.2.1 Une production qui ne rime pas avec consommation Le système de chauffage français est devenu depuis quelques années à majorité électrique dut essentiellement à la RT 2005 qui a favorisé ce mode de chauffage. Cela génère donc en hiver pour un degré de moins, 2100 MW de puissance, selon Hervé Mignon. Ainsi, le système de génération d électricité français nécessite de répondre rapidement à un demande ponctuelle. Par conséquent comme tout individu le sait, le vent ne souffle pas quand la demande est la plus forte et s arrête quand celle-ci diminue. Il arrive donc à de nombreuses reprises que le parc éolien ne réponde pas à la demande des ménages français. Selon Jean-Pierre Chalon de Météo France : «Les périodes de grands froids correspondent souvent au passage d un anticyclone, dont les faibles changements de pression ne favorisent pas le vent.» L éolien n offre donc pas une puissance constante dans le temps, ainsi 26 000 MW de puissance installée garantisse seulement 2 000 MW, d après Philip Kuhn, chercheur à l université de Munich. Une idée est donc proposée pour répondre à ce problème, c est le stockage de l énergie durant les périodes de grandes productions et sa restitution durant les périodes de forte consommation à travers notamment le pompage d eau au niveau des barrages hydroélectrique notamment. => La régulation de l énergie éolienne reste donc en plein chantier et en pleine évolution. [19] 3.2.2.2 Une énergie non maitrisable Cette forme d énergie ne peut être annoncée de manière précise. En effet, les ingénieurs de Météo France notamment arrivent difficilement à connaitre les horaires auxquels le vent se mettra à souffler sur telles zones, à quelles vitesses et quand il s arrêtera. Cela à donc pour conséquence de poser problème quand à l arrêt et à la mise en marche des centrales nucléaires et à charbon pour compenser les lacunes d énergies dans le réseau. A l opposé les périodes de forte production d énergie entraînent notamment dans les pays nordiques (Danemark, Allemagne, ) des prix du kwh électrique éolien négatifs! Certaines éoliennes ont même été arrêtées en Espagne du fait du problème de distribution de 39

l électricité. Ainsi, la plupart des pays possédant une grande proportion d éoliennes sur leur territoire n arrivent pas à bien réguler la production d électricité. [19] 3.2.2.3 Une répartition sur le territoire des centrales électriques non homogène L énergie éolienne a besoin de vent pour pouvoir exister or le vent n est pas constant donc cette énergie est variable dans le temps. Les besoins en électricité étant permanents il faudrait donc pouvoir stocker en grande quantité l énergie produite par les éoliennes lors de forts vents ce qui est très difficile et coûteux. Le stockage sous forme d'hydrogène ou dans des batteries se heurte à la fois à des problèmes de coût (il faudrait 7 tonnes de batteries par habitation pour faire face à la consommation moyenne actuelle) et de rendement (70 % de pertes pour la filière hydrogène), d autres solutions sont envisageables comme l utilisation des centrales hydro-électriques. L'énergie éolienne ne peut donc être utilisée que comme énergie d'appoint et ne peut à l'heure actuelle subvenir à elle seule aux besoins en électricité. Sur les parcs éoliens, pour maintenir la production d'électricité lorsque l'énergie éolienne fait défaut, il est nécessaire que le réseau électrique auquel le parc éolien est intégré soit composé également de centrales électriques dites «secondaires», c'est-à-dire à démarrage rapide (par exemple, centrales hydroélectriques ou thermiques). Si on associe des centrales thermiques à chaque parc éolien, on va augmenter l émission de CO 2 car ces centrales en émettent beaucoup. Dans le cas de la France, avec sa forte implantation de centrales nucléaires n'émettant pas de CO 2, l'ajout des éoliennes signifie émettre encore plus de gaz à effet de serre. Par exemple, le Danemark, champion incontestable de l'énergie éolienne (plus de 500 W par habitant d'installés) ne produit que 20% de son électricité par l'éolien et a dû développer d'autres énergies renouvelables et des mesures d'efficacités énergétiques pour réduire sa production de gaz à effet de serre. L installation de parc éolien a d autres inconvénients comme le bruit que génèrent les éoliennes qui peut être assez important sur les anciennes éoliennes. Cela dit les éoliennes plus récentes ont bénéficié de nombreuses améliorations, ce qui a permis de réduire leurs émissions sonores. Mais aussi les éoliennes impliquent la dégradation visuelle des sites et provoquent des interférences électromagnétiques induites par leurs générateurs. [19] 40

Conclusion Pour conclure sur ce projet, nous avons atteint la majorité de nos objectifs initiaux puisque nous avons réussi à réaliser un banc d essai adapter à la soufflerie, fait des séries de mesures, et exploiter les résultats. Deuxièmement, ce projet nous a permis de nous documenter et d acquérir des connaissances générales sur les aérogénérateurs. En effet, ils existent sous différents modèles, avec des caractéristiques spécifiques. De plus, la réalisation de ce projet s implante parfaitement dans la formation Génie Thermique et Energie, puisque nous nous sommes servi des cours de mécanique des fluides, d électricité et d énergies nouvelles qui nous ont été donnés en première comme en deuxième année. D autre part, la réalisation de ce banc a nécessité un temps de battement entre la commande des éoliennes et l obtention des premiers résultats cohérents. Il a fallu se confronter aux dimensions de la soufflerie, de la balance, du matériel mis à notre disposition. Bien que les essais se soient déroulés sans grands problèmes, l équipe a dû faire face à l échec de l éolienne à axe vertical de type savonius dû à un souci de conception. Par conséquent, nous n avons pas pu obtenir de mesures afin de la comparer avec les aéromoteurs à axe horizontal. Ensuite, nous nous sommes intéressés à la partie la plus polémique auquel se rattache notre projet : l énergie éolienne. Les matériaux nécessaires à la construction et la durée de vie de celle-ci, nous a permis de réaliser un bilan carbone sommaire de ce moyen de production d électricité qui s avère intéressant pour une production et une consommation locale, mais surtout complémentaire avec l énergie hydraulique. Enfin, l un des principaux intérêts de ce projet était mener un travail de groupe, de se répartir les tâches afin d optimiser le temps en séance. Ainsi, nous avons pu tous ensemble mener le projet à terme afin de proposer deux sujets de TP qui pourront être proposés aux futurs étudiants de l iut. 41

Nous tenons à remercier : Remerciements Mr Sébastien FERROUILLAT pour nous avoir aidé et suivi tout au long du projet. Mr Pantxo DIRIBARNE pour nous avoir apporté de l aide sur des notions de mécanique des fluides et pour l exploitation de nos résultats. Mr Pierre Alain GILLES pour nous avoir aidé dans le montage électrique de notre banc d essai. Mr Claude PEREZ, Mr Julien TRAVEAUX, Mr Jérôme VIGNERON, les techniciens qui nous ont aidés à la réalisation de l éolienne à axe vertical. Bibliographie [1] LES EOLIENNES, de D. LE GOURIERES [2] http://www.crer.info/uploads/images/eolienne [3] http://www.natura-sciences.com [4] http://tpeeoliennefoucauld20092010.wifeo.com [5] http://bricolsec.canalblog.com/ [6] http://tpe-eolienne.wifeo.com [7] http://www.energieplus-lesite.be [8] http://www.action-eolienne.com/la-limite-de-betz [9] http://guidedtour.windpower.org/fr/tour/wres/weibull.htm [10] http://eolienne.f4jr.org/eolienne_etude_theorique [11] http://www.faiteslepleindavenir.com/2010/12/02/eoliennes-a-bosses/ [12] http://www.minix.fr/pdf/20100920_green_univers.pdf [13] Des éoliennes sans vortex «Faites le plein d'avenir - le webzine des Energies Renouvelables [14] Science et Vie, Septembre 2009 N 1106, par Pierre Grumberg [15] Cours d électricité de première année 42

[16] http://www.wwindea.org/home/images/stories/worldwindenergyreport2009_f.pdf [17] http://www.lepost.fr/article/2009/12/16/1843468_bilan-carbonne-d-une-eolienne-cest-pas-top.html [18] http://www.les-energies-renouvelables.eu/fr/avantages-et-inconvenients-de-lenergieeolienne.html [19] Science et Vie, Septembre 2010 N 1116, par Vincent Nouyrigat 43

ANNEXE 1 : Démonstration de la limite de Betz D après le théorème de l énergie cinétique, l énergie cinétique d une masse est égale à la moitié du produit de cette masse par le carré de sa vitesse de déplacement. Considéreront une éolienne avec un rotor balayant une surface S, amont du rotor et la vitesse du vent en aval du rotor. est la vitesse du vent en Figure 21 Tube de Betz Energies cinétiques Calculons maintenant la masse d'air déplacée en amont du rotor en 1 seconde : L énergie cinétique de cette masse d'air est donc égale à : En remplaçant par son expression trouvée précédemment nous avons : Nous procédons de la même façon pour calculer, l énergie cinétique en aval du rotor Variation d énergie cinétique La variation d énergie cinétique de la masse d'air qui passe au travers le rotor est donc égale à : 44

Puissance absorbée par le rotor Calculons maintenant la puissance absorbée par le rotor, vectoriellement nous avons : Avec et Nous avons Nous pouvons donc en déduire la puissance absorbée par le rotor Or nous savons que la puissance absorbée par le rotor est égale à l opposé de la variation d énergie cinétique soit : En remplaçant et par leurs expressions trouvées précédemment, nous avons l'égalité suivante : En développant l'identité remarquable du type a 2 -b 2 nous avons Nous pouvons en déduire l'expression de Puissance maximale 45

Déterminons maintenant pour que la puissance soit maximale En remplaçant par son expression calculée précédemment nous avons La puissance est maximale pour une vitesse telle que sa dérivée s'annule : C'est-à-dire On résous cette équation du second degré et d inconnue Nous avons 2 solutions possibles Cette solution est impossible ou est donc maximale pour égal à 46

Calcul de la puissance maximale Nous savons que Donc d après la valeur maximale de En reportant et dans l'expression de, on obtient : D où Calcul du coefficient de puissance maximal Nous savons que la puissance récupérable du vent s'exprime par Nous pouvons donc écrire sous cette forme, soit : Par identification, nous en déduisons la valeur de limite de Betz, nous venons donc de la démontrer., nous retrouvons la 47

ANNEXE 2 : Description de la variation du vent : distribution de Weibull Il est très important pour l'industrie éolienne de décrire les variations de la vitesse du vent. Les fabricants utilisent ces informations pour optimiser la conception des éoliennes dans le but de minimiser les coûts liés à la production d'électricité. Les investisseurs, eux, ont besoin de ces informations afin de pouvoir estimer le revenu lié à la production d'électricité. On décrit normalement les variations du vent sur un site donné en utilisant une distribution de Weibull comme celle que vous voyez sur l'image ci-dessus. La vitesse moyenne du vent est de 7 m/s. Figure 22 Modèle général des variations de la vitesse du vent Ceux qui sont déjà habitués à travailler avec des statistiques se rendront tout de suite compte que ce que le graphe ci-dessus représente est une distribution de probabilité. La probabilité que le vent souffle à une vitesse quelconque (zéro inclus) étant obligatoirement égale à 100 %, la zone au-dessous de la courbe sera toujours égale à exactement 1. La moitié de la zone bleue se trouve à gauche de la ligne verticale noire située à 6,6 m/s. On dit alors que 6,6 m/s est la médiane de la distribution. Cela signifie que le vent souffle à moins de 6,6 m/s la moitié du temps, et à plus de 6,6 m/s pendant l'autre. La vitesse moyenne est en fait la moyenne des vitesses de vent enregistrées sur le site en question. Comme vous pouvez le voir sur le graphe, la distribution des vitesses du vent est oblique, donc asymétrique. Parfois il y aura des vents très forts, mais ce ne sera que très rarement. En revanche, les vitesses de vent de 5,5 m/s sont les plus fréquentes. On dit alors que 5,5 mètres par seconde est la valeur modale de la distribution. La distribution statistique des vitesses du vent varie d'un endroit à l'autre vu qu'elle dépend des conditions climatiques locales, le paysage et sa surface. La distribution de Weibull tend donc à varier, tant en forme qu'en valeur moyenne. 48

ANNEXE 3 : Les éoliennes de la haute atmosphère Les éoliennes volantes ou éoliennes d altitude ont été modélisé sous trois formes : Le ballon captif Le cerf-volant Le rotor 1. Le ballon captif est gonflé à partir d hélium et d hydrogène. Le vent fait tourner ce ballon connecté à un alternateur relié au sol par un câble qui assure les deux fonctions (transmission de l électricité, connection au sol). 2. Le cerf volant possède la même forme qu un parapente. Cette voile s élève dans l atmosphère sous l effet de portance créé par le vent. Cette montée fait tourner un alternateur resté au sol créant ainsi de l électricité. Une fois que le cerf volant atteint son altitude maximum, un système entraine le dégonflement de la voile qui redescent de quelques centaines de mètres avant de ce regonfler. 49

3. Le dernier prototype, le rotor possède plusieurs pales s associant en une structure solide et stable. L électricité est générée en altitude et transmise au sol par un câble. Type d éolienne Ballon captif Cerf -volant Rotor Altitude 300 m 800 m à 1200 m 5000 m à 10000 m Puissance par unité 100 kw à 1MW 3 MW 10MW à 100 MW Temps de fonctionnement 50% 60% 70 à 80% Prix du kwh Moins de 0.05 0.03 à 0.05 0.01 à 0.02 Début de production 2010 2010 2013 2015 Atouts Faible altitude, facilité mise en place Production d électricité au sol, faible altitude, Faible coût du kwh, productivité maximum Inconvénients Puissance, productivité limité Productivité moyenne Problème avec aviation, coût élevé, complexité des installations 50

ANNEXE 4 : Schéma des supports de l aérogénérateur à axe vertical Premier schéma non réalisé Deuxième schéma du support réalisé 51

Eolienne axe vertical de type Darrieus Nacelle (alternateur) Support Figure 23 Photo de l'éolienne à axe vertical 52