Titre de Chapitre

C
Ch ha ap pi it tr re e 1 1: :
G
Gé én né ér ra al li it té és s
Ce chapitre commencera par introduire
quelques éléments historiques et 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.
I
In nt tr ro od du uc ct ti io on n
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.
Q
Qu ue el lq qu ue es s é él lé ém me en nt ts s h hi is st to or ri iq qu ue es s
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 fois-
ci 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.

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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…
L
Le e c co on nt te ex xt te e é éc co on no om mi iq qu ue e
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.
D
Do on nn né ée es s c cl li im ma at to ol lo og gi iq qu ue es s
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.
V
Vi it te es ss se e d du u v ve en nt t

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0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
Proportion (%)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
Vitesse du vent (m/s)
Histogramme de la vitesse du vent
Station de Toulouse-Blagnac (Période 1961-1970)
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
0
1
2
3
4
5
6
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Altitude (m)
Vitesse du vent (m/s)
Afin de mesure cet effet, des formules empiriques ont été établies. La plus employée est la
suivante :
h
H
VV hH
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.

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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.
L
Le es s f fl lu uc ct tu ua at ti io on ns s d du u v ve en nt t
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.
période cettesur moyenne Vitesse donnée période unesur atteintemax Vitesse
Kv
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.
E
Et t l le es s j jo ou ur rs s s sa an ns s v ve en nt t? ?
La figure 4 illustre la probabilité de la durée d'une période de calme plat, sans vent:

C
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Absence de vent
0
10
20
30
40
50
60
70
2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7
Durée (jours)
Probabilité (%)
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
L' 'é én ne er rg gi ie e d du u v ve en nt t
L’énergie contenue dans le vent, traversant une surface S, est donnée par la formule suivante :
SV
2
1
P3
d
avec la masse volumique de l’air  = 1.225 kg.m-3. On peut alors tracer la répartition de
puissance apportée par le vent à travers une surface S = 1m², à Toulouse. On se reporte pour cela à la
courbe 5 et on applique la relation :
Totale
%d% P
100
VPP 
:
0
5
10
15
20
25
30
Proportion puissance (%)
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
Vitesse du vent (m/s)
Puissance du vent
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.
O
Or rg ga an ni is sa at ti io on n d du u t tr ra av va ai il l