Choix des systèmes éoliens appropriés pour les sites tunisiens

International Renewable Energy Congress
November 5-7, 2010 – Sousse, Tunisia
ID116/ ©IREC2010 162
Choix des systèmes éoliens appropriés pour les sites tunisiens
Imen Jarraya1, Fathi Ben Amar2,3, Mustapha Elamouri2, Rachid Dhifaoui3
1Ecole Nationale d'Ingénieurs de Sfax,
e-mail: imenjarra[email protected]
2 Institut Préparatoire aux Etudes d’Ingénieur de Sfax, Tunisie
e-mail: [e-mail]
3 Unité de Recherche Réseaux et Machines Electriques. INSAT, Tunis, Tunisie
Résumé - Le choix d’une éolienne pour un site
donné est une opération très importante. Il est
conseillé de faire une étude approfondie sur les
caractéristiques de l’aérogénérateur et du site
d’implantation avant toute installation d’un parc
éolien pour bien choisir le système le mieux
adapté aux besoins énergétiques.
Nos efforts se sont principalement dirigés vers la
compréhension des caractéristiques du régime du
vent et la détermination des éléments de base
nécessaire pour le dimensionnement des systèmes
éoliens les plus adaptés aux vingt six vingt six sites
météorologiques répartis sur l’ensemble du
territoire tunisien.
Mots clés – Vent, Site, Système éolien, Tunisie.
1. Introduction
Face aux problèmes environnementaux causés par les
émissions des gaz à effet de serre lors de
l’exploitation de ces ressources, d’autres ressources
énergétiques alternatives ont été et doivent continuer
à être développées. Parmi elles, nous pouvons citer
les ressources en énergies renouvelables
inépuisables, qui offrent la possibilité de produire de
l’électricité de plus en plus facilement et proprement,
à condition d’accepter leurs fluctuations naturelles et
parfois aléatoires.
Dans cette étude, nous nous sommes intéressés
principalement à la filière éolienne qui est considérée
comme une source prometteuse dans l'amélioration
du bilan énergétique et la préservation de
l’environnement. Dans ce cadre, la Tunisie a intégré
l’énergie éolienne parmi ses choix. En effet, la
première centrale éolienne de production d'électricité
a été réalisée en 2000 à Sidi Daoud, près d’El
Haouaria au Nord-Est du pays [1].
En réalité, la réalisation d'une centrale éolienne doit
tenir compte de la ressource du vent. Donc, l'étude du
gisement est une composante fondamentale d'un
projet éolien : c'est elle qui détermine le productible
annuel et qui permet au porteur de projet d'établir son
business plan. Une erreur de quelques pourcentages
dans l'évaluation du potentiel éolien peut avoir des
conséquences désastreuses sur la rentabilité future du
projet.
L'objectif de ce papier est consacré à l’étude de la
viabilité des gisements et au choix des paramètres
des systèmes éoliens les plus adaptés aux vingt six
sites météorologiques distribués sur tout le territoire
tunisien. L'évaluation du gisement du vent dans
chaque site s'effectue à partir des données du vent
fournies par l'Institut National de la Météorologie
(I.N.M.). Une étude comparative entre les sites est
réalisée pour révéler les zones les plus favorables
pour l'exploitation du vent en Tunisie.
2. Analyse des données réelles du vent
Le vent est une énergie propre, renouvelable et de
plus en plus économique. Mais, c’est un phénomène
variable. Cependant, la production de l’énergie
éolienne dépend de cette variation de la vitesse du
vent du site envisagé. Par conséquent, nous avons
besoin d’évaluer les caractéristiques du vent du site
pour pouvoir dimensionner un projet éolien. De
même, cette étude offre aux investisseurs de
déterminer la production prévisionnelle de la future
installation éolienne. Alors l’analyse préliminaire des
données du vent est nécessaire pour garantir le
meilleur établissement d'un parc éolien.
2.1. Situation géographique de la Tunisie
La Tunisie, avec une surface de 164 150 km2, est le
plus petit pays du grand Maghreb. Elle se situe entre
l’altitude 32° et 38° Nord de l’Afrique et les
longitudes 7° et 12° Est. Il s'ouvre largement sur la
Méditerranée avec 1298 km de côtes, délimité à
l'Ouest par l'Algérie et au sud par la Libye. La
Tunisie est un pays plat dans son ensemble, à
l'exception du Nord-Ouest et l'Ouest qui sont les
zones montagneuses (figure 1). Par ces principaux
reliefs et sa position géographique, la Tunisie subit

ID116/ ©IREC2010 163
l'influence méditerranéenne ainsi que le
continentalisme qui apparaît dès que l'on s'éloigne de
la côte. Quand au Sud, il est sous l’effet de la Sahara
qui se manifeste par la chaleur et la sécheresse en
été. On note alors que le climat de la Tunisie, confère
une variabilité particulière [2].
Figure 1. Relief de la Tunisie.
2.2. Méthodologie utilisée
Pour révéler les bons lieux d’implantation des éoliens
en Tunisie, il est nécessaire d’évaluer les
caractéristiques du vent (vitesse moyenne, densité de
puissance et énergie disponible) dans les 26 sites
météorologiques répartis sur tout le territoire
tunisien. L'analyse du vent est effectuée à l’aide de la
méthode expérimentale météorologique [1-4]
utililisant les tableaux de mesure de l’I.N.M
indiquant les fréquences cumulées Fc(V) des vitesses
du vent « supérieures ou égales » aux vitesses
classées V, la fréquence d’occurrence f(V) est
définie par la relation suivante :
( ) ( ) ( 1)
cc
f V F V F V  
(1)
La vitesse moyenne Vm du vent est définie par:
1( ) ( / )
n
m i i
i
V V f V m s
(2)
avec: Vi est la vitesse du vent classé.
f(Vi) est la fréquence d’occurrence.
n est le nombre d’observations.
La densité de puissance varie considérablement selon
les lieux et les jours. Elle dépend de la vitesse et de la
fréquence du vent. La puissance récupérable du vent,
par unité de surface balayée par les pâles de
l'éolienne, est donnée par l’expression suivante :
32
1
1( ) ( / )
2
n
ii
i
P V f V W m
. (3)
avec: ρ est la densité de l'air, égale à 1,225 Kg/
pour une température de 15°C et une
pression de 1013 mb.
D’après la limite de Betz, la densité de puissance du
vent devient égale à 59% de la puissance
récupérable :
2
16 ( / )
27
Betz
P P W m
(4)
De même, le potentiel éolien disponible Ed dans le
site étudié, par unité de surface et pendant un an, est
exprimé à la limite de Betz par :
2
8.76 ( / / )
d Betz
E P kWh m an
(5)
2.3. Distributions météorologiques
A partir des données météorologiques tri-horaires
fournies par l'Institut National de la Météorologie
(I.N.M.) sous forme des tableaux à 16 directions et
pour une période de cinq ans (2004-2009), nous
traçons les histogrammes de la fréquence et de
l’énergie des vitesses classées du vent (toutes
directions confondues) pour les vingt six sites
tunisiens (figure 2). Les mesures sont prises à une
hauteur standard de 11 m par rapport à la terre et en
rase campagne. Ainsi nous pouvons déterminer les
régions les plus favorables pour l'exploitation du vent
en Tunisie.
L’analyse des résultats de la figure 2 montre que la
distribution statistique de l’énergie éolienne
disponible est, en raison de la variation avec le cube
de la vitesse, décalée vers les valeurs élevées de la
vitesse du vent : ce qui explique que, pour un site
donné, la vitesse la plus fréquente contribue très
faiblement à l’énergie totale et est toujours inférieure
à la vitesse la plus énergétique ; alors qu'à l'opposé la
fréquence de la vitesse la plus fréquente est toujours
supérieure à la fréquence de la vitesse la plus
énergétique.
2.4. Analyse des caractéristiques du vent
Le tableau 1 donne les résultats numériques des
caractéristiques du vent (vitesse moyenne Vm, densité
de puissance P et énergie disponible Ed).
A la hauteur 11 m au dessus du sol, la vitesse
moyenne annuelle du vent en Tunisie est modeste.
Elle varie entre un minimum de 2.09 m/s (à
Kairouan) et un maximum de 5.45 m/s (à Thala). En
général, il faut une moyenne dépassant 4 m/s pour
justifier l'implantation d'une éolienne (carte 1).

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0 5 10 15 20 25
0
20
40
60
80
100
120
140
Vitesse du vent (m/s)
f (‰) ; E (kwh/m²/an)
Tala
0 5 10 15 20 25
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
Vitesse du vent (m/s)
f (‰) ; E (kwh/m²/an)
Kebili
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
Vitesse du vent (m/s)
f (‰) ; E (kwh/m²/an)
Elborma
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Vitesse du vent (m/s)
f (‰) ; E (kwh/m²/an)
Tozeur
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
Vitesse du vent (m/s)
f (‰) ; E (kwh/m²/an)
Jerba
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
Vitesse du vent (m/s)
f (‰) ; E (kwh/m²/an)
Monastir
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
Vitesse du vent (m/s)
f (‰) ; E (kwh/m²/an)
Nabeul
0 5 10 15 20 25 30 32
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
Vitesse du vent (m/s)
f (‰) ; E (kwh/m²/an)
Gafsa
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
Vitesse du vent (m/s)
f (‰) ; E (kwh/m²/an)
Bizerte
0 5 10 15 20 25 30 32
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
Vitesse du vent (m/s)
f (‰) ; E (kwh/m²/an)
Kasserine
0246810 12 14 16
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
Vitesse du vent (m/s)
f (‰) ; E (kwh/m²/an)
Tunis
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
Vitesse du vent (m/s)
f (‰) ; E (kwh/m²/an)
Tabarka
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
0
50
100
150
200
250
Vitesse du vent (m/s)
f (‰) ; E (kwh/m²/an)
Sfax
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
Vitesse du vent (m/s)
f (‰) ; E (kwh/m²/an)
Tataouine
0246810 12 14 16
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
Vitesse du vent (m/s)
f (‰) ; E (kwh/m²/an)
Remada
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
0
50
100
150
200
250
Vitesse du vent (m/s)
f (‰) ; E (kwh/m²/an)
Zaghouan
0 2 4 6 8 10 12 14
0
50
100
150
200
250
Vitesse du vent (m/s)
f (‰) ; E (kwh/m²/an)
Gabès
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
0
50
100
150
200
250
Vitesse du vent (m/s)
f (‰) ; E (kwh/m²/an)
Mahdia
0 2 4 6 8 10 12 14
0
50
100
150
200
250
300
Vitesse du vent (m/s)
f (‰) ; E (kwh/m²/an)
Siliana
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
0
50
100
150
200
250
300
Vitesse du vent (m/s)
f (‰) ; E (kwh/m²/an)
Kelibia
0 2 4 6 8 10 12 14
0
50
100
150
200
250
300
Vitesse du vent (m/s)
f (‰) ; E (kwh/m²/an)
Jendouba
0 5 10 15
0
50
100
150
200
250
300
Vitesse du vent (m/s)
f (‰) ; E (kwh/m²/an)
Sidi Bouzid
0 5 10 15
0
50
100
150
200
250
300
Vitesse du vent (m/s)
f (‰) ; E (kwh/m²/an)
Medenine
0 2 4 6 8 10 12 14
0
50
100
150
200
250
300
Vitesse du vent (m/s)
f (‰) ; E (kwh/m²/an)
Elkef
0 2 4 6 8 10 12
0
50
100
150
200
250
300
350
Vitesse du vent (m/s)
f (‰) ; E (kwh/m²/an)
Béja
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
0
50
100
150
200
250
300
350
Vitesse du vent (m/s)
f (‰) ; E (kwh/m²/an)
Kairouan
Figure 2. Distributions de la fréquence et de l'énergie des vitesses classées du vent
pour différents sites à 11 m de hauteur en rase campagne.
La puissance et l’énergie éolienne annuelle
disponible, par unité de surface, sont aussi évaluées
pour les vingt six sites synoptiques. Les résultats
obtenus sont rassemblés dans le tableau 1. De même,
il a été possible de déterminer une cartographie de
l’énergie éolienne annuelle disponible pour
l’ensemble du territoire (carte 2). Cette carte, comme
cela été prévisible, comporte des analogies
importantes avec la carte de la répartition
géographique de la vitesse moyenne annuelle du
vent. La répartition spatiale de l’énergie éolienne à
l’échelle de la Tunisie indique très clairement que
certaines régions sont beaucoup plus favorables que
d’autres à l’utilisation de l’énergie éolienne.
L'analyse du tableau 1 nous a permis de classer ces
sites en quatre groupes [6] :
- Un premier groupe d’excellent potentiel éolien,
désigné par (A) dont l'énergie est supérieure à
1000 kWh/m2/an. Il est formé de 2 sites Thala et
Kebili. Il couvre 20.49% de l'énergie totale
disponible dans les vingt six sites. La vitesse
moyenne du vent dépasse 5m/s. Ce groupe
présente la zone la plus énergétique et la plus
prometteuse pour l'exploitation de l’énergie
éolienne.
- Un deuxième groupe de bon potentiel éolien,
désigné par (B), dont l’énergie varie de 600 à
1000 kWh/m2/an. Il comprend huit sites
(Elborma, Tozeur, Jerba, Monastir, Nabeul,
Fréquence d’occurrence
Energie disponible de Betz
Tala
Kebili
Elborma
Tozeur
Jerba
Monastir
Nabeul
Gafsa
Siliana
Mahdia
Tataouine
Kelibia
Sidi Bouzid
Remada
Medenine
Elkef
Zaghouan
Tunis
Tabarka
Kasserine
Kairouan
Jendouba
Béja
Gabès
Bizerte
Sfax

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Gafsa, Bizerte et Kasserine) et compte pour
45.5% de l’énergie totale. La vitesse moyenne
annuelle est comprise entre 4 et 5 m/s
- Un troisièmes groupe de moyen potentiel éolien,
désigné par (C), intéresse huit sites (Tunis,
Tabarka, Sfax, Tataouine, Remada, Zaghouan,
Gabès et Mahdia) et couvre seulement 23.1% de
l’énergie totale. Son énergie du vent est
comprise entre 200 et 600 kWh/m2/an. La
vitesse moyenne annuelle est comprise entre 3 et
4 m/s.
- Un quatrième groupe de faible potentiel éolien,
désigné par (D), intéresse aussi huit sites (Silian,
Kelibia, Jendouba, Sidi Bouzid, Medenine,
Elkef, Béja et Kairouan) et couvre seulement
10.91% de l’énergie totale. Son énergie du vent
est inférieure à 200 kWh/m2/an. La vitesse
moyenne annuelle est inférieure à 3m/s.
Sites
Groupes
Vm
(m/s)
P
(W/m2)
E
(kWh/m2/an)
Thala
A
5.45
152.00
1331.45
Kebili
5.08
135.11
1183.53
El Borma
B
4.73
77.93
682.65
Tozeur
4.66
82.22
720.24
Jerba
4.64
77.77
681.24
Monastir
4.29
65.80
576.37
Nabeul
4.36
63.19
553.53
Gafsa
4.27
54.45
476.97
Bizerte
4.12
67.29
589.46
Kasserine
4.11
75.40
660.47
Tunis
C
3.65
42.40
371.45
Tabarka
3.66
52.11
456.52
Sfax
3.62
35.69
312.68
Tataouine
3.50
43.67
382.54
Remada
3.43
38.15
334.22
Zaghouan
3.31
37.19
325.80
Gabes
3.15
26.64
233.39
Mahdia
3.10
25.46
223.06
Siliana
D
2.74
20.87
182.84
Kelibia
2.44
15.04
131.75
Jendouba
2.63
19.12
167.53
Sidi Bouzid
2.66
21.00
184.00
Mednine
2.70
20.46
179.25
El Kef
2.58
17.74
155.37
Beja
2.42
16.59
145.29
Kairouan
2.09
10.24
89.74
Tableau 1. Caractéristiques du vent pour différents sites à 11 m de hauteur en rase campagne.
Donc, les zones les plus intéressantes pour
l’exploitation de l’énergie éolienne ressortent
clairement : il s’agit du Nord-Est de la Tunisie, de
l’ouest et du Sud (carte 5). Par contre, les zones où la
vitesse moyenne annuelle du vent est inférieure à
4m/s, comme les régions situées à l'intérieur du pays,
au Nord-Ouest et Sud-Est, sont beaucoup moins
favorables à l’utilisation de l’énergie éolienne qu'à
l'Ouest et le Nord-Est. Cela veut dire que, dans la
région de Jandouba, pour récupérer une énergie
globale identique à celle que l’on peut escompter à
Bizerte, il faudra utiliser une éolienne de surface au
vent plus importante et/ou situé sur un pylône plus
élevé ; le coût de l’installation sera en conséquence
beaucoup plus grand.

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Carte 1. Vitesse moyenne annuelle du vent à 11 m
de hauteur en rase campagne.
Carte 2. Energie éolienne annuelle disponible
à 11 m de hauteur en rase campagne.
Nous notons qu’une variation de 25% de la vitesse
moyenne annuelle du vent d’un site à l’autre, ce qui
n’est pas exceptionnel, entraîne une variation
d’énergie éolienne d’un facteur 2 (à titre d’exemple
voir les caractéristiques des sites Kasserine et
Kebili).
3. Adaptation site-système éolien
3.1. Energie éolienne utilisable
La courbe typique d'une turbine éolienne est définie
par la figure 1. En raison du mode de fonctionnement
des systèmes éoliens, l’énergie récupérable à la sortie
d’un système éolien ne représente qu’une portion de
l’énergie disponible Ed dans le vent.
Figure 3. Courbe de puissance idéale de la turbine
éolienne.
L’énergie éolienne utilisable Eu varie à la fois avec
les valeurs des vitesses caractéristiques de la machine
(vitesse de démarrage Vd, vitesse nominale Vn et
vitesse de coupure Vc), c'est-à-dire avec le type
d’éolienne considéré, et avec le lieu d’implantation
par l’intermédiaire de la distribution de fréquence du
vent f(V). Elle est définie, par unité de surface et
pendant une année, comme suit :
33
4.38 ( ) ( )
nc
u i i n i
i d i n
E V f V V f V
(6)
Les valeurs des vitesses caractéristiques d’une
éolienne varient selon le type et la taille des machines
éoliennes. Elles doivent être adaptées en fonction des
caractéristiques du vent du site d’implantation. Nous
étudions, pour les 26 stations météorologiques
réparties sur l’ensemble du territoire tunisien, le
temps de fonctionnement Tf et le rapport énergétique
Eu/Ed pour trois types d'éoliennes définis par le
couple (Vd, Vn).
Pratiquement, il est intéressant d'implanter l’éolienne
éloignée de tout obstacle et suffisamment haute pour
capter le maximum d'énergie [8]. C'est pourquoi nous
avons choisi dans notre étude une hauteur de 30 m au
dessus du sol pour le mât des systèmes éoliens.
Vd
Vc
Vn
Pn
P
V