Éolienne.

Une éolienne est un dispositif qui utilise la force motrice du vent. Cette force peut être utilisée mécaniquement (dans le cas d'une éolienne de pompage), ou pour produire de l'électricité (dans le cas d'un aérogénérateur). On parle de parc éolien ou de ferme éolienne pour décrire les unités de productions groupées (installées à terre ou en mer).

Les régions du monde où les champs éoliens sont les plus nombreux sont le Danemark, le nord de l'Allemagne et la Californie (É-U), mais de nombreux parcs éoliens existent dans les îles des Shetlands (Écosse), dans la plaine du Pô (Italie) et en Galice (Espagne), où l'on peut en voir des centaines tout au long de la côte. En France elles sont surtout présentes en Bretagne dans l'Aude et la Meuse.

Éolienne aux Pays-Bas.

Éolienne BEST-Romani à Nogent-le-Roi, Eure-et-Loir.

Histoire

Article de Scientific American sur l'invention de Brush (1890).

Depuis l'Antiquité, des moulins à vent convertissent l'énergie éolienne en énergie mécanique (généralement utilisé pour moudre du grain, presser des produits oléifères, battre le fer, le cuivre, le feutre ou les fibres du papier... ou relever de l'eau). De nos jours, on trouve encore des éoliennes couplées à des pompes à eau, généralement utilisées pour assécher des zones humides ou au contraire irriguer des zones sèches ou abreuver du bétail.

En 1888, Charles F. Brush construit une petite éolienne pour alimenter sa maison en électricité, avec un stockage par batterie d'accumulateurs.

La première éolienne « industrielle » génératrice d'électricité est développée par le Danois Poul La Cour en 1890, pour fabriquer de l'hydrogène par électrolyse. Dans les années suivantes, il crée l'éolienne Lykkegard, dont il vend 72 exemplaires en 1908 ^[1].

Une éolienne expérimentale de 800 kVA fonctionne de 1955 à 1963 en France, à Nogent-le-Roi dans la Beauce. Elle avait été conçue par le Bureau d'Études Scientifiques et Techniques de Lucien Romani et exploitée pour le compte d'EDF. Simultanément, deux éoliennes Neyrpic de 130 et 1 000 kW furent testées par EDF à Saint-Rémy-des-Landes (Manche) ^[2]. Il y eut également une éolienne raccordée au secteur sur les hauteurs d'Alger (Dély-Ibrahim) en 1957.

Cette technologie ayant été quelque peu délaissée par la suite, il faudra attendre les années 1970 et le premier choc pétrolier, pour que le Danemark reprenne les développements d'éoliennes.

Schéma d'une éolienne de type aérogénérateur.

Une éolienne permet de transformer l'énergie cinétique du vent en énergie électrique. Elle se compose des éléments suivants :

• Un mât permet de placer le rotor à une hauteur suffisante pour permettre son mouvement (nécessaire pour les éoliennes à axe horizontal) et/ou placer ce rotor à une hauteur lui permettant d'être entraîné par un vent plus fort et régulier qu'au niveau du sol. Le mât abrite généralement une partie des composants électriques et électroniques (modulateur, commande, multiplicateur, générateur, etc.).
• Un rotor, composé de plusieurs pales (en général trois) et du nez de l'éolienne. Le rotor est entraîné par l'énergie du vent, il peut être branché directement ou indirectement à une pompe (cas des éoliennes de pompage) ou plus généralement à un générateur électrique. Le rotor est relié à la nacelle par le moyeu.
• Une nacelle montée au sommet du mât, abritant les composants mécaniques, pneumatiques, certains composants électriques et électroniques, nécessaires au fonctionnement de la machine.
• Dans le cas des éoliennes produisant de l'électricité, un poste de livraison situé à proximité du parc éolien permet de relier ce parc au réseau électrique pour y injecter l'intégralité de l'énergie produite.

Critères de choix de sites éoliens

Les critères de choix de l'implantation éolienne dépendent de la taille, puissance et du nombre d'unités. Ils incluent la présence d'un vent régulier (Cf. atlas éolien) et diverses conditions telles que : présence d'un réseau électrique pour recueillir le courant, absence de zones d'exclusion (dont périmètre de monuments historiques, sites classés..), terrain approprié, etc.

Le vent

L'efficacité d'une éolienne dépend notamment de son emplacement. En effet, la puissance fournie augmente avec le cube de la vitesse du vent, raison pour laquelle les sites sont d'abord choisis en fonction de la vitesse et la fréquence des vents présents. Un site avec des vents d'environ 30 km/h de moyenne sera environ huit fois plus productif qu'un autre site avec des vents de 15 km/h de moyenne. Une éolienne fonctionne d'autant mieux que les vents sont réguliers et fréquents.

Éolienne Bollée de relevage d'eau du XIX^e siècle sur son château d'eau, Charente-Maritime, France.

Un autre critère important pour le choix du site est la constance de la vitesse et de la direction du vent, autrement dit la turbulence du vent. En effet, en règle générale, les éoliennes sont utilisables quand la vitesse du vent est supérieure à une valeur comprise entre 10 et 20 km/h, sans toutefois atteindre des valeurs excessives qui conduiraient à la destruction de l'éolienne ou à la nécessité de la « débrayer » (pâles en drapeau) pour en limiter l'usure. La vitesse du vent doit donc être comprise le plus souvent possible entre ces deux valeurs pour un fonctionnement optimal de l'éolienne. De même, l'axe de rotation de l'éolienne doit rester la majeure partie du temps parallèle à la direction du vent. Même avec un système d'orientation de la nacelle performant, il est donc préférable d'avoir une direction de vent la plus stable possible pour obtenir un rendement optimal (alizés par exemple).

Certains sites proches de grands obstacles sont ainsi à proscrire car le vent y est trop turbulent (arbres, bâtiments, escarpements complexes, etc.).

De manière empirique, on trouve les sites propices à l'installation d'éoliennes en observant les arbres et la végétation. Les sites sont intéressants s'ils sont constamment courbés par les vents. Les implantations industrielles utilisent des cartes de la vitesse des vents des atlas éoliens (là où ils existent) ou des données accumulées par une station météorologique proche.

En France, un projet est considéré économiquement rentable si la vitesse moyenne annuelle du site est supérieure à 6 ou 7 m/s, soit 21 à 25 km/h. Cette rentabilité dépend de nombreux autres facteurs, dont les plus importants sont le coût de connexion au réseau et le coût des fondations (déterminant dans le cas d'un projet offshore) et les coûts de rachat de l'électricité.

Certains sites bien spécifiques augmentent la vitesse du vent et sont donc plus propices à une installation éolienne :

• L'effet Venturi : lorsque l'air s'engouffre entre deux obstacles comme deux montagnes ou deux grands batiments, il est accéléré par effet venturi. De même, lorsqu'il rencontre une colline, l'air est accéléré au niveau du sommet. Ces lieux sont donc très appropriés pour les éoliennes. Ils sont cependant le plus souvent de surface restreinte et peuvent être soumis à des turbulences si la forme des obstacles est irrégulière.
• La mer et les lacs sont aussi des emplacements de choix : il n'y a aucun obstacle au vent, et donc, même à basse altitude, les vents ont une vitesse plus importante et sont moins turbulents. La proximité d'une côte escarpée, en revanche, créera également des turbulences, usant prématurément certains composants mécaniques de l'éolienne.

Autres critères

Parc éolien à Calenzana, Haute-Corse, France.

Fondation en béton, avant la construction d'un éolienne

D'autres critères sont pris en compte pour le choix du site.

• La nature du sol : il doit être suffisamment résistant pour supporter les fondations de l'éolienne. Ce critère n'est pas déterminant car dans le cas d'un sol meuble, des pieux seront alors enfoncés sous les fondations de l'éolienne Il existe aussi des éoliennes haubanées.
• L'accessibilité du site (virages, pente, passage de ponts) doivent permettre le transport des gros éléments de l'éolienne (pales, tour, nacelle) et des grues nécessaires au montage. Cette contrainte peut limiter la puissance maximale installable par machine.
• La connexion au réseau électrique. Pour cela, les petites fermes d'éoliennes sont le plus souvent situées à proximité d'un poste de transformation haute tension afin de diminuer le coût de raccordement qui est directement fonction de la distance à ce poste. Pour les grosses fermes éoliennes, le réseau doit être en mesure de supporter l'énergie produite, et son renforcement est parfois nécessaire (renforcement ou création de poste de transformation). Le raccordement est plus coûteux dans le cas des projets offshores, mais les sites sont beaucoup plus ventés et les contraintes grandement plus faibles.
• Les éoliennes, selon leur taille, vitesse de rotation et positionnement peuvent avoir un impact sur les oiseaux ou chauve-souris (collision, dégradation de l'habitat, etc.) notamment si elles sont éclairées de nuit (cf. pollution lumineuse) et/ou disposées sur un corridor de migration aviaire. Aussi, Birdlife International a fait un certain nombre de recommandations au Conseil de l'Europe à ce sujet ^[3] : les réserves naturelles, les routes migratoires importantes (cols), etc. sont des lieux à éviter pour la sauvegarde des oiseaux. Des études sont également en cours pour mieux apprécier et réduire l'impact des éoliennes sur les chauve-souris^[4].
• Même si les éoliennes de dernière génération sont relativement silencieuses, une étude de l'impact sonore sur les habitations est effectuée avant l'implantation des parcs éoliens. En fonction du résultat, cette implantation peut être modifiée afin de respecter la réglementation (émergence maximale de 5 dBA le jour et 3 dBA la nuit^[5]). La distance entre les éoliennes et les habitations est généralement de 300 m. À environ 500 m, elles sont inaudibles ou très peu audibles et leur bruit est généralement couvert par le bruit du vent.

Sur la terre ferme

Dans une installation éolienne, il est préférable de placer la génératrice sur un mât à une hauteur de plus de 10 m jusqu'à environ 100 m, de façon à capter des vents plus forts et moins perturbés par la « rugosité » du sol. Dans les zones où le relief est très complexe, il est possible de doubler la quantité d'énergie produite en déplaçant l'installation de seulement quelques dizaines de mètres. Des mesures in situ et des modélises mathématiques permettent d'optimiser le positionnement d'éoliennes.

Pour les zones isolées et exposées aux cyclones

Pour ces zones, des éoliennes spéciales ont été conçues : elles sont haubanées pour pouvoir être couchées au sol en 45 minutes et sont de plus allégées. Elles peuvent aussi résister aux tremblements de terre les plus courants. Elles ne nécessitent pas de fondations aussi profondes que les autres et se transportent en pièces détachées. Par exemple, 7 éoliennes de 275 kW unitaires rendent Terre-de-Bas excédentaire en électricité, lui permettant d'en fournir à la Guadeloupe. De 1990 à 2007, 20 MW de puissance éolienne ont ainsi pu être installées en Guadeloupe. Toutes peuvent être couchées au sol et arrimées, comme ce fut le cas lors des passages des ouragans Ivan et José.

Mi-2007, il y avait environ 500 de ces éoliennes installées dans le monde, pour une puissance totale de 80 MW. La puissance des aérogénérateurs qui les équipent est passée de 30kW à 275kW en 10 ans.

Pleine mer

nécessaire au pays^[6]. Ce pays est un leader et précurseur dans la construction et l'utilisation de l'énergie éolienne, avec un projet lancé dans les années 1970 Aujourd'hui de grands parcs offshore sont en construction au large de l'Angleterre ^[7] dans la baie de la Tamise, ainsi qu'en Écosse pour une puissance d'environ 4 000 MW au total.

La France ne possède pas de parcs offshore, mais quelques sociétés ont des projets en cours : Parc éolien de la Côte d'Albâtre, Parc éolien de la baie de Seine

Altitude

Villes

En environnement urbain, où il est difficile d'obtenir de puissants flux d'air, de plus petits équipements peuvent être utilisés pour faire tourner des systèmes basse tension. Des éoliennes sur un toit fonctionnant dans un système d'énergie distribuée permettent d'alléger les problèmes d'acheminement de l'énergie et de pallier les pannes de courant. De petites installations telles que des routeurs wi-fi peuvent être alimentées par une éolienne qui recharge une petite batterie. En ville, on pourra envisager l'implantation d'éoliennes à axe vertical ou hélicoïdales, qui ont un rendement inférieur mais qui produisent de l'électricité même par vent faible.

Il est aussi possible d'installer des éoliennes sur le toit des tours comme dans le quartier de la Défense à Paris.

Modélisation

Une éolienne se modélise principalement à partir de ses caractéristiques aérodynamique, mécanique et électrotechnique. En pratique, on distingue aussi le « grand éolien », qui concerne les machines de plus de 250 kW, de l'éolien de moyenne puissance (entre 36 kW et 250 kW) et du petit éolien (inférieur à 36 kW).

Axe horizontal

Une éolienne à axe horizontal est une hélice perpendiculaire au vent, montée sur un mât. La hauteur est généralement de 20 m pour les petites éoliennes, et supérieure au double de la longueur d'une pale pour les modèles de grande envergure.

Aujourd'hui les plus grandes éoliennes mesurent jusqu'à 180 m en bout de pale avec un moyeu à 120 m pour une puissance de 6 MW.

Puissance récupérable

La puissance du vent contenue dans un cylindre de section est :

avec :

 : masse volumique de l'air (air atmosphérique sec, environ : 1,23 kg/m³ à 15 °C et à pression atmosphérique 1,0132 bar)

 : vitesse du vent en m/s

Cette puissance est une puissance théorique, il est bien sûr impossible qu'elle soit récupérée telle quelle par une éolienne (cela reviendrait à « arrêter le vent »).

La puissance récupérable par une éolienne est donc :

avec Cp coefficient de performance qui est toujours inférieur 1.

Formule de Betz

La puissance récupérable est inférieure, puisque l'air doit conserver une énergie cinétique résiduelle pour qu'il subsiste un écoulement. Albert Betz a démontré que la puissance maximale récupérable est :

.

Le rendement maximal théorique d'une éolienne est ainsi fixé à , soit environ 59,3 %. Ce chiffre ne prend pas en compte les pertes d'énergie occasionnées lors de la conversion de l'énergie mécanique du vent en énergie électrique.