Chapitre 1: Généralités Ce chapitre quelques commencera éléments historiques par et introduire politiques ayant traits aux éoliennes et au développement de ce type d’énergie. Dans une seconde partie, l’organisation du travail du groupe au cours du projet d’initiation à la recherche sera détaillée. De nombreuses contraintes ont en effet dicté la démarche de travail, ce dernier n’ayant pas toujours pu se dérouler comme il aurait été souhaitable. Introduction L’énergie éolienne est une énergie propre, qui ne contribue pas à l’effet de serre, ne pollue d’aucune manière et ne crée pas de déchets radioactifs. De plus, la crise pétrolière actuelle appelle une accélération de la relance de la politique de maîtrise de l’énergie. Cette politique est nécessaire pour limiter la dépendance énergétique des pays, préserver ses capacités de choix énergétiques pour le futur tout en limitant les émissions de gaz à effet de serre et de polluants atmosphériques néfastes pour la santé. Il est donc naturel de tenter d’exploiter au maximum cette énergie renouvelable et de réduire la vulnérabilité de la société française (en particulier) face au caractère imprévisible des prix des combustibles fossiles… Notre participation au 3ème Colloque National Eolien, organisé à Narbonne par l’ADEME (Agence De l’Environnement et de la Maîtrise de l’Energie), en partenariat avec la Région Languedoc-Roussillon, terre des premiers parcs éoliens français, nous a permis d’avoir une vue d’ensemble du contexte économique actuel du développement de cette énergie, dont l’exploitation offre un nombre impressionnants de défis à relever, qu’ils soient techniques, humains ou économiques. Quelques éléments historiques Les premières éoliennes sont apparues à l’Est de la Méditerranée: le grec Héron d’Alexandrie en fait mention au 1er siècle ap. J.C. Les premières preuves d’utilisation des éoliennes chez les chinois, elles, datent du 13ème siècle. Elles étaient surtout utilisées pour moudre le grain et fonctionnaient soit avec le vent, soit avec l’eau. En ce qui concerne l’Europe, les premières attestations d’utilisation de moulins à vent (des éoliennes conçues pour moudre le grain) datent de la fin du 12ème siècle. L’Amérique, découverte plus tard par les européens, a permis de donner un nouvel essor aux éoliennes, mais cette foisci dans le but de pomper l’eau pour irriguer les vastes étendues de cultures, découvertes au fur et à mesure de la conquête de l’immense espace américain. Chapitre 1: Généralités La première éolienne produisant de l’énergie électrique a été construite en 1888 par Charles F. Brush aux U.S.A.. Elle avait un rotor de 17 mètres de diamètre constitué de 144 lames (encore largement inspiré de l’archétype des pompes à eau de la conquête de l’ouest), qui était fixé sur une tour de 18 mètres de hauteur. Elle produisait 12 kW. Par la suite, les progrès ont beaucoup stagné à cause des progrès du moteur diesel et des guerres. Pendant l’entre-deux guerres, seule la forme des éoliennes à axe horizontal a été optimisée pour en arriver à une configuration type: deux ou trois pales de faible surface, avec un calage fixe. Après la guerre, tous les pays se sont plus ou moins lancés dans l’aventure, mais le Danemark est longtemps resté le grand spécialiste de cette énergie. Aujourd’hui, les débats sur l’environnement et les crises pétrolières permettent de revaloriser ce type d’énergie… Le contexte économique Depuis une dizaine d’années, l’énergie éolienne connaît un développement important avec une croissance de plus de 20% par an en Europe et dans le monde entier. En Europe, le parc installé a quadruplé en dix ans et contribue à lui seul à 67% de la puissance installée dans le monde. Le développement éolien en Europe s’inscrit dans le cadre de la décision européenne de réduire l’effet de serre et la commission européenne (sous présidence française) a réussi à imposer le 5 décembre 2000 des intentions d’objectifs pour 2010 pour tous les pays de l’union européenne. La France est le second gisement éolien en Europe après la Grande-Bretagne, mais elle est l’un des pays les plus en retard dans ce domaine avec seulement 37 MW installé en avril 2000. Pour 2010, le gouvernement s’est donné pour objectif de produire 21% de son électricité à partir d’énergie renouvelable, avec une contribution majoritaire de l’éolien. Cela représente 10 GW a installer d’ici 2010 avec un objectif intermédiaire de 4 GW en 2006. Toutefois, lors de la présentation du PNAEE (Plan National d’Amélioration de l’Efficacité Energétique) du 6 décembre 2000, le Ministre de l’Aménagement du Territoire et de l’Environnement Dominique Voynet et le Secrétaire d’état à l’Industrie Christian Pierret ont annoncé un engagement de l’état français sur un objectif minimal de 5 GW installés en 2010. Dans le cadre de l’obligation d’achat, le Gouvernement français a fait part des nouvelles conditions d’achats du kWh éolien: 0.36 à 0.55 F/kWh garantis pendant 15 ans. N’importe qui, particulier ou entreprise pourra donc vendre son surplus d’énergie éolienne à E.D.F.. Plusieurs constructeurs pensent qu’il existe un avenir pour les petites éoliennes (qui pourraient intéresser des particuliers) mais ne se sont pas encore véritablement lancés dans l’aventure. C’est cette réflexion qui nous amène dans le présent travail à nous intéresser aux petites éoliennes. Données climatologiques Dans tous les projets d'installations d'éoliennes, une étude préalable des conditions météorologiques de la zone d'installation s'impose. En effet, on se sait faire aujourd'hui que des éoliennes optimisées pour certaines conditions et en particulier pour un certain régime de vent. Nous voulions tester notre éolienne à Toulouse (!) et c'est pourquoi nous avons dû nous renseigner sur les vent qui souffle dans la région de Toulouse. Les données ci-dessous proviennent de la station météorologiques de Toulouse. Vitesse du vent Chapitre 1: Généralités Histogramme de la vitesse du vent Station de Toulouse-Blagnac (Période 1961-1970) 18 16 Proportion (%) 14 12 10 8 6 4 2 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Vitesse du vent (m/s) La vitesse moyenne du vent à Toulouse calculée à partir de cet histogramme est de 3,5 m/s. On remarque de plus que le vent ne souffle à plus de 5 m/s que pendant 30% du temps. De plus, il faut savoir que le vent souffle plus fort loin du sol, mais qu'il ne faut pas non plus mettre un mât trop élevé pour notre petite éolienne. L'idéal serait de la placer sur un mât et à une dizaine de mètres de hauteur. En effet, en observant sur le schéma ci-dessous, on peut voir, dans le cas particulier d'un vent à 4 m.s-1 à 10 mètres du sol, que la vitesse du vent augmente avec l'altitude: Variation de la vitesse du vent avec l'altitude 6 Vitesse du vent (m/s) 5 4 3 2 1 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Altitude (m) Afin de mesure cet effet, des formules empiriques ont été établies. La plus employée est la suivante : H VH Vh h Où les variables ont la signification suivante: est un paramètre variant de 0.15 à 0.2 et H et h sont deux hauteurs (ou altitudes) différentes. Chapitre 1: Généralités La direction du vent est aussi une donnée importante et ce paramètre peut-être déterminé avec la rose des vents de Toulouse ci-dessous. Un trait plus ou moins grand, indique une intensité plus ou moins grande. Les fluctuations du vent L’importance de ces fluctuations est due, d’une part, aux perturbations qu’elles entraînent dans le fonctionnement de la machine et d’autre part, au fait que fréquemment, la raison de la destruction d’une machine est moins le niveau moyen de vent, que ses brusques variations de grande intensité et de courte période. Ces fluctuations peuvent être caractérisée par l’accélération de l’air, leurs durées et le coefficient de survitesse Kv défini ci-après. Kv Vitesse max atteinte sur une période donnée Vitesse moyenne sur cette période On distingue trois principaux types de fluctuations à courte période (rafales) : des rafales de durées une à deux minutes des rafales durant une dizaine de secondes des microrafales de durée inférieure à la seconde mais de coefficient de survitesse faible Des études ont montré que Kv dépendait fortement de la vitesse moyenne du vent: plus le vent moyen est fort, plus Kv est faible. De la même manière, plus on monte en altitude, plus Kv diminue. Bien sûr, ces rafales ont un caractères totalement aléatoire par leur intensité mais aussi par leur direction. On conçoit alors toute la difficulté, d’une part, d’assurer au mieux la sécurité du système sans pénaliser le rendement de façon exagérée et, d’autre part, d’assurer une optimisation de ce rendement grâce à un asservissement de manière à obtenir un temps de réponse du système le plus faible possible. Et les jours sans vent? La figure 4 illustre la probabilité de la durée d'une période de calme plat, sans vent: Chapitre 1: Généralités Absence de vent 70 Probabilité (%) 60 50 40 30 20 10 0 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 Durée (jours) Cette courbe illustre bien le fait que sur la durée d'observation ayant permis de décrire cette courbe (trois ans), il y a eu 271 jours sans vent, c'est-à-dire que le vent a soufflé à une vitesse négligeable pendant 25% du temps. De plus, dans 86% des cas, les périodes sans vents duraient trois jours tandis qu'elle ne dépassait pas deux jours dans 62% des cas. Ces remarques sont extrêmement utiles lorsque l'on procède à l'étude des capacités de stockages et de l'autonomie du système tout entier. L'énergie du vent L’énergie contenue dans le vent, traversant une surface S, est donnée par la formule suivante : 1 Pd V 3S avec la masse volumique de l’air = 1.225 kg.m-3. On peut alors tracer la répartition de 2 puissance apportée par le vent à travers une surface S = 1m², à Toulouse. On se reporte pour cela à la 100 courbe 5 et on applique la relation : P% Pd V% : PTotale Puissance du vent Proportion puissance (%) 30 25 20 15 10 5 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Vitesse du vent (m/s) La conclusion importante que l’on peut tirer de cet histogramme en puissance est que le vent qui va fournir le maximum de puissance à Toulouse est un vent de vitesse 7 m/s. Les vitesses de 6 et 8 m/s apportent elles aussi une puissance importante. Nous optimiseront donc nos pales pour 7 m.s-1. Organisation du travail Chapitre 1: Généralités Objectifs du P.I.R. Lorsqu’il a été décidé de traiter ce sujet au cours du P.I.R. de deuxième année, l’objectif était de traiter le sujet le plus complètement possible en nous limitant néanmoins aux domaines aérodynamique, électrique et automatique. Nous voulions ainsi nous donner les moyens de réaliser une éolienne "grandeur nature" et il s’agissait là de notre second objectif. Sans doute était-ce finalement le point le plus important, car sans aucune réalisation pratique et vérification expérimentale a posteriori, les théories les plus élégantes ne servent qu’à amasser la poussière… De plus, il est des plus satisfaisant, intellectuellement, de pouvoir évaluer concrètement le fruit de son travail! Ces objectifs étaient très ambitieux: le laps de temps imposé à la réalisation de ce travail s’est avéré extrêmement court puisqu’il fallait, en quatre petites semaines, faire l’étude aérodynamique pour trouver le bon profil de la pâle et la fabriquer après avoir obtenu toutes les informations pertinentes (loi de corde et de vrillage, profils utilisés, etc.). Dans le même temps, la mise au point de l’électronique de puissance, couplée à la programmation d’un régulateur devait être terminée afin qu’il soit finalement possible de tester l’ensemble. Ce sont, en définitive, les contraintes sévères de temps de fabrication du modèle en bois de la pale, puis du moule et des trois pales finales qui dictèrent notre démarche, exposée au paragraphe suivant… Démarche suivie L’aérodynamique La partie aérodynamique de ce P.I.R. repose sur deux piliers: l’étude des théories aérodynamiques des hélices (et plus particulièrement celles des éoliennes bien sûr), et l’exploitation puis l’amélioration d’un code de calcul en Fortran. La première partie est grandement basée sur trois ouvrages: Wind Turbine Technology de David A. Spera, Détermination et calcul des Hélices d’Avions de René Hirsch et Introduction au calcul des Hélices de J. Bousquet. Cette étude nous permit d’appréhender au mieux le fonctionnement d’une hélice d’éolienne, les phénomènes à prendre en compte et les théories les plus à mêmes de produire de résultats exploitables. La partie informatique, qui fut traitée en parallèle à cette étude et à la construction des pales, consista d’abord à comprendre le fonctionnement d’un programme conçu par des étudiants lors d’un P.I.R. précédent. Ce programme se décompose en deux parties, que la plupart des logiciels du commerce conservent d’une manière ou d’une autre: une partie design ou de conception qui, à la demande de paramètres tels que la puissance ou la vitesse du vent (entre autres) donne les lois de corde et de vrillage de la pale idéale, et une partie d’analyse ou de performance d’une éolienne donnée. Nous ne dérogerons pas à cette présentation. Nous avons amélioré le code fortran initial en lui donnant une bien plus grande souplesse d’utilisation en permettant à l’utilisateur d’entrer différents profils par exemple. De plus, une interface pour PC a été développée sous Delphi afin de faciliter le plus possible la conception et l’analyse des performances d’une éolienne pour un non-informaticien. Automatique La partie optimisation de ce présent rapport se penche sur le problème de la maximisation de la puissance obtenue pour charger les batteries. Nous chercherons dans un premier temps à modéliser le système pour pouvoir ensuite le simuler à l’aide du logiciel Matlab. Nous verrons enfin, à partir des Chapitre 1: Généralités résultats obtenus en simulation, l’optimisation par algorithme de gradient de montée. Il nous permet le maximum de puissance utile pour un régime de vent donné. Electronique La mise en place du système électrique de l’éolienne a débuté par le choix d’un système capable de répondre au cahier des charges proposé. Une fois le système déterminé, une étude théorique à permis de vérifier sa faisabilité et son efficacité. L’utilisation du logiciel de simulation CADENCE a ensuite permis de vérifier le fonctionnement du montage choisi et de le comparer à celui prévu par la théorie. Un des travaux du PIR a consisté à faire fonctionner un montage déjà câblé, de vérifier expérimentalement l’étude réalisée et d’améliorer le montage. Le système électrique complet a alors été testé à l’aide d’un banc de machines à courant continu conçu pour l’occasion.