L`énergie éolienne - UdPPC Orléans

Énergie éolienne : pourquoi
ça marche ?
Sandrine Aubrun-Sanches
Maître de conférences
Institut PRISME / Polytech’Orleans
Institut PRISME / Polytech’Orléans
8, rue Léonard de Vinci
45072 Orléans cedex
[email protected]
Tel : 02.38.49.43.94
Les énergies renouvelables
 Directives européennes de 2001 pour la
promotion des énergies renouvelables:
 5,75% de biocarburants en 2010
 Eléctricité propre, de 14% en 1997 à 21%
en 2010
 50% de la production de chaleur d’origine
renouvelable en 2015
Les énergies renouvelables
Nécessité économique et écologique…
Capacité installée dans le monde
L’énergie éolienne dans le monde
L’énergie éolienne en Europe
En 2003, la Commission Européenne
prévoit une capacité d’énergie éolienne
installée de:
• 79.8 GW in 2010
• 144.8 GW in 2020
• 213.5 GW in 2030.
• Estimation revue 9 fois à la hausse
entre 1996 et 2003
L’énergie éolienne en Europe
L’énergie éolienne offshore en Europe
L’énergie éolienne en France
Mars 2009
Prévisions : 25000 MW en 2020
Les challenges de l’éolien
 Taille des éoliennes
 Installations off-shore
 Ferme d’éoliennes
Les composants
Énergie cinétique  énergie mécanique  énergie électrique
Vitesse de rotation  10 à 50 tr/min
moyeu
nacelle
5) l’arbre lent
6) Le multiplicateur
7) Le frein
8) l’arbre rapide
9) Génératrice
10) Système de refroidissement
11) Anémomètres et girouettes
tour
pales
Les disciplines concernées







Estimation des ressources éoliennes
Aérodynamique
Structures et matériaux (aéroélasticité)
Génération d’électricité
Intégration au réseau électrique
Impact environnemental
Finances, économie, régulations, publicité
Les disciplines concernées







Estimation des ressources éoliennes
Aérodynamique
Structures et matériaux (aéroélasticité)
Génération d’électricité
Intégration au réseau électrique
Impact environnemental
Finances, économie, régulations, publicité
Les vents globaux
Les vents de surface
 200 premiers mètres de l’atmosphère
 Dépendants de la rugosité du terrain et la
présence d’obstacles:
 végétation
 relief
 Urbanisation
 Vents locaux (brise de mer, vent de
montagne)
 Vents de surfaces ≠ vents globaux
Potentiel éolien
 Estimer le potentiel éolien d’un site
 En prospection
 En temps réel
 Codes de calcul météorologique mésoéchelles
 Code de calcul pour modéliser la couche
limite atmosphérique
La rose des vents
Variations météorologiques
 Variations journalières (cycle diurne)
 Variations saisonnières
 Variations annuelles
La couche limite atmosphérique
Geostrophic wind
Boundary layer
600 ... 1000 m
Increasing complexity of the wind flow
Mixed layer
100m
Surface layer
50m
Urban roughness
Les types de terrain
Terrain peu rugueux
Terrain rugueux
Terrain modérément rugueux
Terrain très rugueux
Les types de terrain
Cas extrêmes
La couche limite atmosphérique
 Modélisation des 100 – 200 mètres de la couche limite
atmosphérique (profil puissance)
u  z  z

U ref  zref




 Incluant la couche de surface (60 – 100 mètres) (profil
logarithmique)
u z 1  z 
 .ln  
z0, longueur de rugosité
U*
  z0 
 Régi par la rugosité du sol
Exemple de profil
(modérément rugueux à rugueux)
130
130
10
120
2
120
110
100
110
 = 0.19
100
10
90
1
90
70
60
10
z [m]
80
z [m]
z [m]
80
0
70
60
50
50
40
40
30
10
-1
30
20
20
10
10
0
0
0.5
U/U 90m
1
10-2
0
0.5
U/U 90m
1
0
0
Exemple de profil
(modérément rugueux à rugueux)
130
130
10
120
2
120
110
100
110
 = 0.19
100
10
90
1
90
70
60
10
z [m]
80
z [m]
z [m]
80
0
70
60
50
50
40
40
30
10
-1
30
20
20
10
10
0
0
0.5
U/U 90m
1
10-2
0
0.5
U/U 90m
1
0
0
La turbulence
série temporelle de la vitesse mesurée à 30 m d'altitude
6.5
vitesse [m/s]
6
5.5
5
4.5
4
0.5
1
1.5
2
2.5
temps [heure]
3
3.5
4
La turbulence
Frame 001  21 Apr 2005 
300
très rugueux
250
rugueux
Intensité de turbulence
U moy
100 [%]
altitude [m]
Iu 
u
200
modérément rugueux
peu rugueux
150
100
50
0
0
10
20
30
40
Intensité de turbulence [%]
50
60
Cas idéal
 Les terrains peu rugueux (mer, glace) sont
privilégiés
 Profil de vitesse plat  rendement optimal
 Turbulence plus faible  moins de fatigue
structurelle (moins de vibration)
Les disciplines concernées







Estimation des ressources éoliennes
Aérodynamique
Structures et matériaux (aéroélasticité)
Génération d’électricité
Intégration au réseau électrique
Impact environnemental
Finances, économie, régulations, publicité
Le fonctionnement
La puissance du vent
1

 .V 3
2
Pvent
1
3
2
  .V . . R
2
Le fonctionnement
Extraction d’énergie cinétique
de l’écoulement
1
1
2

V2  V12  V2  V1
2
2
 distorsion des lignes de courant
 Puissance extraite
 f(V1-V2)
 Pmax  16  0.59
Pvent
27
(loi de Betz)
La loi de Betz (1919)
P/Pvent
Coefficient de puissance
= Puissance extraite/
Puissance du vent
Puissance extraite
Cp
Coefficient de puissance
1000
0.5
800
0.4
600
0.3
Cp
Puissance (W)
Puissance extraite (W)
400
0.2
200
0.1
0
0
0
10
20
Vitesse (m/s)
30
0
10
20
Vitesse (m/s)
Exemple de l’éolienne Neg Micon NM52/900
30
Aérodynamique de pales
V
Aérodynamique de pales
V
Bernoulli : le long d’une ligne de courant, si la vitesse augmente, la pression diminue
Aérodynamique de pales
portance
Forte dépression
V
Faible dépression
Bernoulli : le long d’une ligne de courant, si la vitesse augmente, la pression diminue
La portance
Cz
décrochage
Aérodynamique des pales
en rotation
wR
W

V
V
w
Aérodynamique des pales
en rotation
b

W
b
wR

portance
V
traînée
Aérodynamique des pales
en rotation
b

W
b
wR

portance
couple
V
traînée
 =  (R)
en pied de pale,  grand
En bout de pale,  petit
Traînée globale
Aérodynamique des pales
en rotation
b
 =  (R)
 en bout de pale, petit 
 en pied de pale, grand 
 risque de décrochage
 pale vrillée

W
V
wR
Aérodynamique des pales
en rotation
Répartitions de couple et d’incidence le long de la pale
40
Incidence
30
Incidence (°)
Pourcentage de couple (%)
% Couple
20
10
0
0
0,2
0,4
0,6
0,8
x/R
Obtenues avec le code de calcul EOLE
Calage : 8° ; Vitesse : 14 m.s-1
1
 < 10° sur la partie de la
pale qui fournit l’essentiel
du couple
Aérodynamique des pales
La corde des pales n’est pas constante
Contrôle de la puissance
 Vitesse optimale de fonctionnement 15 m/s
 Si V > 15 m/s, il faut perdre de l’énergie
 Contrôle à calage variable de pales
= contrôle actif
(éolienne à pas variable)
 Ingénierie complexe
 Régulation par décrochage aérodynamique
= contrôle passif
(éolienne à pas fixe)
Si V augmente,  augmente
 décrochage local
 perte de portance
Sillage d’une éolienne
Impact sur les éoliennes
situées en aval
Interaction
D’autres concepts:
Eoliennes à axe vertical
Rotor de Darrieus
Rotor de Savonius
Les disciplines concernées







Estimation des ressources éoliennes
Aérodynamique
Structures et matériaux (Aéroélasticité)
Génération d’électricité
Intégration au réseau électrique
Impact environnemental
Finances, économie, régulations, publicité
Généralités
 L’éolienne doit pouvoir supporter des
vents très forts
 Nombre de pales restreint (3 pales)
 Turbulence très élevée
 Fatigue des structures
 Étude oscillatoire des structures
couple
V
couple
traînée
w
Résistance des pales
La tour
tubulaire d’acier
en treillis
haubanés
Les pales et la nacelle
 Les grandes éoliennes
 Matériaux plastiques + fibre de verre
 Les petites éoliennes
 Aluminium et acier
Les disciplines concernées







Estimation des ressources éoliennes
Aérodynamique
Structures et matériaux (Aéroélasticité)
Génération d’électricité
Intégration au réseau électrique
Impact environnemental
Finances, économie, régulations, publicité
La génératrice
 Transforme l’énergie mécanique en
énergie électrique
 Génère un courant alternatif triphasé de
680V
 Transformé en 10 ou 30 kV
pour être raccordé au réseau
 Signal électrique en 50 Hz
(60 Hz aux U.S.A.)
La génératrice asynchrone
 Rotor en cage d’écureuil
 Barreaux d’aluminium reliés par deux
cercles métalliques
 Matériau conducteur
 Champ magnétique tournant => courant
induit dans les barreaux de la cage
 Vrotor = 1.01 Vchamp magnétique
La génératrice asynchrone
 Indépendant du nombre de pôles
 Doit être relié au réseau électrique pour
générer le champ magnétique tournant
Les disciplines concernées







Estimation des ressources éoliennes
Aérodynamique
Structures et matériaux (Aéroélasticité)
Génération d’électricité
Intégration au réseau électrique
Impact environnemental
Finances, économie, régulations, publicité
Raccordement au réseau
 Raccordement direct si le signal électrique
généré est à 50Hz (pas réaliste)
 Raccordement indirect
transformateurs
filtres
Intégration au réseau électrique
Énergie éolienne
=
Énergie « fatale »
…
Dixit RTE (Gestionnaire du Réseau de Transport d’Électricité)
Intégration au réseau électrique
 Une éolienne tourne 80 à 90% du temps
mais pas à sa puissance nominale
 Sa production est ramenée au nombre
d’heures si elle fonctionnait à son
optimum:
 Bon sites : 3000 h /an (1 an = 8760h)
 En Beauce : 2500 à 2700 h/an
 Allemagne : 1800 h/an
 Énergie complémentaire
associée à d’autres formes
de production
 Choix des sites
 Obligation d’achat par EDF
de l’électricité à 0,082 € du
kWh pendant 10 ans
 Puissance installée ≤ 12 MW
(jusqu’en 2007)
 Prix du kWh entre 0,05 et
0,07€ (0,027€ pour le nucléaire,
0,035€ pour le gaz)
 Différence répercutée sur la
facture des particuliers
(0,60€ / an / foyer)
Les disciplines concernées







Estimation des ressources éoliennes
Aérodynamique
Structures et matériaux (Aéroélasticité)
Génération d’électricité
Intégration au réseau électrique
Impact environnemental
Finances, économie, régulations, publicité
Impact sur le milieu biologique
 Eoliennes et oiseaux
 Oiseaux migrateurs
 Oiseaux locaux (suivant les études: 0,1 à 4 oiseaux
tués / éolienne / an)
 Chauve-souris
 Eoliennes et végétation




Emprise au sol faible
Terrassement
Réseau routier
Zones d’assemblage
 Clauses de démantèlement
Impact sur les humains
 Attention chute d’objets….
 Distance minimale : 6 fois la hauteur totale
 Nuisance sonore
 1 éolienne : 45dB à 100m
 30 éoliennes : 45dB à 500 m
 Insertion paysagère
 de « C’est affreux… » à … « c’est superbe!! »
 L’ombre des éoliennes
 Les travaux
 Syndrome « Not in my back yard »
Les disciplines concernées







Estimation des ressources éoliennes
Aérodynamique
Structures et matériaux (Aéroélasticité)
Génération d’électricité
Intégration au réseau électrique
Impact environnemental
Finances, économie, régulations,
publicité
Retombées locales
 Exemple : communauté de communes de
Janville
 27 éoliennes, soit 60MW installés
 4000€/éolienne/an pour le propriétaire terrien
(location)
 4000€/éolienne/an pour la Région Centre (taxe
professionnelle)
 10000€/éolienne/an pour le département Eure et Loir
(taxe professionnelle)
 10000€/éolienne/an pour la communauté de
communes (taxe professionnelle)
Coûts d’un projet éolien
coût moyen du kW installé : 1,7 k€
Durée de vie : 15-20 ans (plus long en mer)
Les composants
COMPOSANTS
% (en valeur)
Pales
14 %
Moyeu
3%
Multiplicateur
14 %
Génératrice
8%
Roulements
4%
Groupe hydraulique
8%
Electricité
9%
Nacelle et capot
8%
Assemblage
3%
Divers
5%
Mât
24 %
Total :
100.0%
Les constructeurs
Liste non exhaustive









Nordex (Allemagne)
Vestas (Danemark)
Dewind (Allemagne)
Enercon (Allemagne)
Ecotècnica (Espagne)
Gamesa Eolica (Espagne)
Enron Wind (USA)
Vergnet (Orléans, France) « petit éolien »
…
Bibliographie
 Sites internet






www.ademe.fr (ADEME)
www.windpower.org (association danoise)
www.meteo.fr (Meteofrance)
www.ewea.org (European Wind Energy Association)
www.eole.org
www.suivi-eolien.com
 Livres
 Wind Energy Handbook (Wiley & Sons)
 Guide de l’énergie éolienne (Coll. Etudes et filières)
 Conférences
 European Wind Energy Conference, 22-24 nov. 2004, Londres.
Installations offshore
 Solution miracle




Vent constant et peu turbulent
Grande étendue : ferme d’éoliennes
Pas de population
Peu visible du continent
 Difficultés technologiques




Raccordement au réseau continental
Fondations des éoliennes
Salinité et corrosion
construction
Installations offshore
exemple au Pays-Bas
 D’ici 2020
 25 fermes
 50  200 km2
 6 GW installé

Perturbation de
l’écoulement
Corten et al. (EWEC 2004)
Les forces de Coriolis
Observateur extra-terrestre
Observateur terrestre
Les forces de Coriolis
Observateur extra-terrestre
Observateur terrestre
F c  2mV  w
Aérodynamique des pales
en rotation
Incidence des pales
α
   géo  b   induit
 géo  A tan
β
r

V
.r
V
géo : Incidence géométrique
b

W
: Calage des pales
induit : Incidence induite
Contrôlés par
l’opérateur
Obtenue à l’aide d’un code de calcul
de type ligne portante
Aérodynamique des pales
en rotation
La corde des pales n’est pas constante
Décrochage 3D
Ecoulement attaché
Ecoulement radial
Ecoulement décollé
Aérodynamique des pales
Aile de faible allongement
Dépression relative extrados
-------------++
++++++++
Surpression relative intrados
Écoulement extrados
divergent
Écoulement intrados
convergent
 Perte de portance
Tourbillon marginal