Puissance d’une éolienne

La puissance d’une éolienne varie comme le cube de la vitesse  (V) du vent :

P = 1/2 ρ S V3 Cp

avec ρ = densité de l’air ; S = surface balayée par l’éolienne ; Cp = rendement de l’éolienne ou efficacité dynamique.

Si la vitesse du vent est multipliée par 2 la puissance est multipliée par 8. Si elle est divisée par 2 elle est divisée par 8. Ce sont des variations considérables.

La courbe de puissance d’une éolienne Vestas V90 de 3 MW est montrée dans la figure ci-dessous.

puissance-eolienne

En tenant compte des vents, la valeur moyenne de la puissance fournie varie en général entre 25 % à 45 % de la valeur nominale mais cela dépend de la vitesse moyenne du vent sur le site considéré.

La vitesse  Vr (r pour rated) est celle qui correspond à la puissance nominale de l’éolienne (celle que l’on indique).  Vci (ci pour cut in speed) est la vitesse au dessous de laquelle le couple fourni par l’éolienne ne peut compenser les différents frottements. La puissance fournie au réseau est nulle pour V ≤ Vci. La vitesse Vco (co pour cut out speed) est la vitesse au-delà de laquelle on arrête l’éolienne car la puissance est trop importante. En cas de vent fort, les éoliennes modernes contrôlent de manière aérodynamique l’hélice de l’éolienne pour maintenir la puissance nominale entre Vr  et  Vco.

Pour une éolienne typique on a :

  • Vci = 3,5 m/s= 12,6 km/h (force 3 sur l’échelle de Beaufort)
  • Vr = 15m/s = 54 km/h (force 7 sur l’échelle de Beaufort)
  • Vco = 25 m/s = 90 km/h (force 10 sur l’échelle de Beaufort)

Le maximum théorique du coefficient d’efficacité Cp est de 16/27, soit 0,59 ou 59% (limite de Betz). Dans la pratique  est inférieur à cette limite théorique.

Le paramètre λ permet de représenter la valeur de Cp selon la vitesse du vent V, le rayon de l’éolienne R et la vitesse de rotation des pales Ω. Il est défini par :

λ= ΩR / V

Une évolution typique de Cp en fonction de λ est montrée dans la figure ci-dessous pour un rotor à 3 pales. Cp dépend d’autres paramètres comme l’orientation des pales de l’hélice.

cp-eolienne

Les éoliennes modernes essaient d’avoir Cp compris entre 0,4 et 0,5. On essaie de maintenir λ constant si bien que la vitesse de rotation du rotor varie en fonction de la vitesse du vent ce qui permet de lisser les fluctuations de vitesse du vent. Les fluctuations de puissance de l’éolienne sont donc plus faibles que celles du vent ce qui est un avantage pour le réseau électrique.

Les pales des hélices sont souvent orientables (pas variable, pitched or feathered blades) ce qui permet de diminuer la puissance et le couple moteur lorsque le vent augmente. Ces éoliennes à contrôle par orientation des pales (pitch-controlled) permettent de contrôler la puissance fournie au réseau.

Pour les éoliennes de faible puissance (50 à 500 kW) on utilise l’effet Stall pour limiter la vitesse de rotation lorsque le vent est fort (Stall-regulation) mais ce n’est pas très intéressant lorsque l’on injecte dans le réseau électrique car cette régulation est passive, donc indépendante de la demande électrique.

On utilise parfois, pour les éoliennes puissantes, un contrôle actif par effet Stall (active Stall control) mais la plupart des éoliennes de forte puissance utilisent le contrôle par pas variable.

Le rendement mécanique-électrique des éolienne de forte puissance est très bon : environ 98%.


Référence : Les énergies renouvelables pour la production d’électricité, L.Freris et D.Infield, Dunod 2009.

Électricité durable : les nouvelles stars

Les stars du durables produisent de l’électricité à l’aide du soleil et du vent. Leur existence permet d’éviter l’utilisation de fossiles et le dégagement de CO2 .
Poster 2

postit Les stars du durables

Les grandes stars du durables produisent de l’électricité à l’aide du soleil et du vent. Leur  existence permet d’éviter l’utilisation de fossiles et le dégagement de CO2  1

Sur la plus haute marche du podium, celui qui permet le stockage de l’électricité : le solaire à concentration. Dans ces grandes centrales solaires le stockage est prévu d’origine. Elles sont construites en Espagne ou en Afrique du Nord, dans les pays du Golfe,  dans les régions les plus ensoleillées.

Les deux autres grandes stars du durable, sont le photovoltaïque en réseau et l’éolien,  Elles produisent, mais sans stoker, et de façon intermittente.

Pour qu’elles puissent vraiment satisfaire la demande d’électricité, il faut des adaptations pour gérer l’intermittence de la production… Par exemple il faut des systèmes additionnels de stockage d’électricité. Dans le cas du solaire photovoltaïque autonome pour des habitats isolés, le stockage  est réalisé en couplant un panneau solaire à une batterie, la plupart du temps au plomb pour des raisons de coût.

photovoltaïque Procédés photovoltaïques

photovoltaïque

80 % des panneaux sont à base de Silicium, un matériau aux propriétés très  particulières : il devient très bon conducteur électrique à la lumière. Avec une astuce et beaucoup de technologie on arrive à lui faire produire de l’électricité.

La fabrication des cellules solaires est énergivore,  parce qu’elle demande du silicium très pur (à 99,999 %). Pour cela on utilise du quartz, qu’il faut distiller en le chauffant dans le vide ! Ces opérations  sont énergivores, et la fabrication d’un m2  de panneau solaire coûte plusieurs milliers de kWh ! Actuellement, il faut environ deux ans dans le Sud de la France pour qu’un tel panneau solaire restitue l’énergie nécessaire à sa fabrication ; mais il produit de l’électricité pendant 20 ans au minimum, et même 40 ans. Le rendement, une fois installé, varie entre 15 % à 20 %. Il ne cesse d’être amélioré. Il se dégrade légèrement avec le temps, surtout si ils sont chauffés.2.

Ce sont ces panneaux qui sont en général proposés aux particuliers pour équiper le toit de leur habitation, d’une grange, d’un hangar. Dans

centrale La plus grande centrale solaire photovoltaïque de France

La plus grande centrale solaire photovoltaïque est construite à Toul (Lorraine)3,

entre 2012 et 2013. Le terrain de 360 hectares est une ancienne base militaire, ne pouvant pas facilement être transformée en autre équipement ou rendu à l’agriculture. La puissance maximale prévue est de 115 MW-crête. Elle n’est réellement atteinte que quelques heures dans l’année, quand l’éclairage est maximal. Au cours d’une année complète, en considérant la météo locale moyenne, elle devrait produire une énergie de 110 GWh4 par an,soit 0,02% de la production électrique française.

centrale-toul-edf-basse-def

Sa production correspondrait à la consommation de 55 000 personnes selon l’annonce faite par EDF. En fait la production durant la journée correspond surtout au besoin d’une activité tertiaire.

Elle devrait couter 430 Millions d’Euros en investissement (Panneaux  First Solar), et son électricité sera achetée 18 centimes pendant 20 ans.

En France, l’ensemble de l’énergie fournie au réseau électrique par tous les panneaux solaires installés (sur les toits, dans les centrales comme celle de Toul etc.) constitue actuellement 0,3 % de l’énergie électrique produite en France, et 1% des énergies renouvelables.

ameliorer_cout_rendement La recherche sur les panneaux photovoltaïques

Les recherches en laboratoire visent à produire de l’électricité moins chère, avec des méthodes moins polluantes.

Il s’agit d’inventer de nouveaux procédés, de trouver de nouveaux matériaux dotés de rendements meilleurs. La plupart des nouveaux procédés utilisent des couches minces, soit en Silicium aussi, soit en utilisant d’autres matériaux, nouveaux, qui utilisent moins d’énergie5

Ils ne sont pas aussi  efficaces, mais ils sont moins chers. Les rendements  obtenus en laboratoire peuvent atteindre 40 %.

Il s’agit aussi de développer des produits différents pour des usages différents. Par exemple les panneaux photovoltaïques organiques se présentent comme des feuilles de plastique sur les quelles sont imprimés des circuits photovoltaïques par des procédés à bas coût. Leur cout très faible pourrait compenser leur durée de vie réduite à 2 ou 3 ans.

centrale Énergie Solaire à concentration

  Concentrer la lumière pour produire de la chaleur, puis de l’électricité

turbineUne centrale solaire à concentration fonctionne avec les rayons du Soleil, que l’on fait converger pour produire de la chaleur.  La chaleur est utilisée pour faire bouillir un liquide – de l’eau. On obtient de la vapeur sous pression qui fait tourner une turbine, qui entraine un générateur électrique. L’énergie des rayons lumineux est donc convertie en chaleur, puis force mécanique, puis en mouvement,  puis en électricité.  Le rendement n’est pas fameux : dans tout système à vapeur, les pertes d’énergie thermiques sont de l’ordre de 2 fois l’énergie de mouvement produite (environ 25¨%). Arriver à gagner quelque pour cents sur ce rendement de production constituerait une importante économie d’énergie !

Ce qui est intéressant dans ce système,  est que l’on peut stocker la chaleur pendant quelques heures pour produire de l’électricité  après le coucher du Soleil.  Le point critique devient donc la question du stockage d’une quantité importante de chaleur, puis sa restitution avec le moins de pertes possible.

centrale espagnole La centrale espagnole de Gemasolar

Gemasolar est une centrale solaire à concentration (CSP) d’une puissance de 19.9 MW, située dans la région de Séville en Espagne. Elle peut fournir une énergie de 0,110 TWh par an et a couté 171 millions d’Euros.6

gemasolar-2011-2

Vue aérienne de Gemasolar : le champ solaire se compose de 2,650 miroirs (appelés héliostats), répartis en cercles concentriques autour d’une tour centrale. L’héliostat le plus éloigné étant situé à environ 1 km de la tour. Chaque héliostat mesure 120 m2 et est orienté à chaque instant pour renvoyer la lumière du Soleil sur le four situé en haut de la tour, à 140 mètres de hauteur.

Dans Gemasolar la chaleur est communiquée à du sel fondu. Ce fluide chaud, transmet sa chaleur à de de la vapeur d’eau qui fait tourner la turbine, mais il stocke aussi un surplus de chaleur dans des réservoirs. L’ensemble de ces transformations aboutit à un rendement énergétique plus faible que 3%. De nombreux travaux de recherche tentent améliorer le stockage de la chaleur et faire baisser son coût, comme au Promes, à Perpignan.

Malgré la faiblesse de son rendement, cette installation est très intéressante : elle permet la production d’électricité au moment où l’on en a le plus besoin, le soir, après le coucher du Soleil.

Vu les performances actuelles d’un coté,  le prix des miroirs, et autres installations de l’autre, ces centrales ne sont rentables que dans les régions où le Soleil est présent un nombre d’heures supérieur à 1800  heures par an. C’est le cas dans le sud  de l’Europe ou en Afrique du Nord. L’Espagne pourrait produire beaucoup plus d’électricité par ce type de centrales, dont une partie serait exportée vers le nord de l’Europe aux heures de pointe.

électricité à partir du mouvement De l’énergie électrique à partir du mouvement

Un générateur électrique permet de transformer le mouvement en électricité.

unwattIl repose sur une propriété des aimants. Ceux-ci sont connus pour attirer les autres aimants et certains métaux comme le fer. Mais c’est une autre propriété, moins connue qui est utilisée pour produire un courant électrique : les aimants exercent aussi une force sur les électrons d’un matériau qui bouge. Si ces électrons sont libres de se déplacer, comme dans un fil électrique, ils créent alors un courant électrique dans le fil.

Sur la figure ci dessus, ce n’est pas le fil, mais l’aimant qui bouge, cela revient au même : il suffit que l’un bouge par rapport à l’autre.  Le fil électrique fait des  tours et des tours sur lui même pour augmenter le nombre d’électrons soumis à la force magnétique. Plus le nombre d’électrons qui bougent ensemble est grand, plus l’intensité du courant est élevée.

La main fournit typiquement 1 Wh en quelques minutes à la manivelle, ce qui convient bien aux lampes LED. Souvent le circuit possède une petite batterie rechargeable qui permet au courant d’être stocké, pour que la lampe éclaire même quand on ne tourne plus la manivelle.

Les générateurs électriques utilisent cette propriété des aimants de multiples façons.  Dans une dynamo, c’est l’aimant qui bouge, alors que dans un alternateur, c’est le fil électrique. Le rendement de la conversion de l’énergie du mouvement en énergie électrique dépend du montage. Il peut être très faible comme dans les anciennes dynamos de vélo. Mais il peut aussi être excellent et dépasser 95 %.

etiquette Énergie fournie par une éolienne

Les éoliennes génèrent de l’électricité grâce à un générateur électrique entrainé par les pales que le vent fait tourner.

dimension-eoliennes

Evolution de la dimension des éoliennes  (Source IPCC)

Plus les pales sont grandes et plus l’éolienne peut fournir de énergie. En pratique les grandes pales d’une grande éolienne ne peuvent pas tourner vite.  Mais cela n’est pas gênant, et n’empêche pas l’énergie que peut fournir une éolienne d’augmenter très vite avec la vitesse du vent (voir plus de détails ici sur la puissance d’une éolienne).

etiquette

C’est seulement au-delà d’une certaine vitesse  (en général 50 km/h) que l’éolienne fonctionne à plein régime.  Sur un an en moyenne, une éolienne terrestre fournit 20% de sa « puissance installée », et une éolienne marine environ 33% car les vents sont plus fréquents et forts et large des côtes.7

On estime à 4 800 TWh/an les ressources éoliennes terrestres européennes disponibles. Au niveau mondial les ressources terrestres sont d’environ 53 000 TWh/an. Pour l’off-shore mondial il n’y pas d’estimation car cela dépend des distances au rivage et du type de relief sous marin sur lequel on pourrait planter des mats d’éoliennes. Pour l’Europe les ressources de l’éolien off-shore sont de l’ordre de 3 000 TWh/ mais cela dépend des distances au rivage.

En France 4200 éoliennes peuvent produire potentiellement 60 TWh/an, si le vent souffle en permanence, ce qui n’est jamais le cas. Elles ont produit en fait 12 TWh en 2011, soit 2,5% de la consommation Française. La production pourrait atteindre 100 TWh en 2050 dans les scénarios les plus favorables.

éolienne L’éolien marin en France

zonnes-appel-d-offre

Les cinq grandes fermes éoliennes offshore en construction les long du littoral, comprennent en tout 600 éoliennes  de 5 MW de puissance maximale, pour 10 milliards d’Euros. Elles devraient fournir environ 9 TWh  partir de 2020, pour un prix estimé de  0,35 euros/kWh.8

nenuphar-red_0 D’autres voies se dessinent pour l’avenir : celles des éoliennes flottantes

Comment implanter des éoliennes en mer loin des côtes si les fonds sont profonds ? Plusieurs entreprises développent le concept d’éolienne flottante. Une de celles-ci est en France, près de Lille : l’entreprise « Nenuphar-wind » a l’objectif  d’installer à l’horizon 2015 le premier parc commercial de 13 éoliennes flottantes produisant 25 MW.

nenuphar-red_0

Vue d’artiste : ferme d’éoliennes flottantes. copyright Technip/Nenuphar/EDF EN/Ginger

stockage Le stockage de l’énergie

Une introduction massive d’éolien ou de solaire va nécessiter des moyens de stockage importants. Les STEP sont les plus adaptées.

rendement-stockage

Il faudrait stocker de grandes quantités d’électricité. Au Japon, la capacité de stockage représente 20 % de la production moyenne d’électricité. En France, c’est  plutôt 1 %. Le besoin devrait augmenter avec l’entrée en service de nouveaux moyens d’énergie durable. En 2030 le besoin pourrait être de 15 TWh stockés dans monde9.

Il existe plusieurs façons de stocker l’électricité, la plus connue est l’utilisation de de batteries. Mais les batteries les plus importantes peuvent stocker au mieux 10 MWh, c’est à dire une quantité d’énergie qui peut servir à un quartier,   mais pas une ville.

99% de l’énergie stockée dans le monde l’est par des STEP, les Stations  de Transfert d’Energie par Pompage. C’est le seul moyen connu aujourd’hui pour stocker de grandes quantités d’énergie.  Ces stations de pompages sont des barrages qui fournissent de l’électricité en turbinant l’eau. La particularité est qu’elles peuvent fonctionner à l’envers et remonter l’eau turbinée pour remplir à nouveau le réservoir. La STEP, en pompant l’eau vers le haut consomme de l’énergie électrique quand elle est peu demandée, la nuit, et peut produire de l’énergie électrique selon les besoins. Bien sûr, un peu d’énergie est perdue à chaque fois dans l’opération, mais le rendement global est de l’ordre de 75 % et ce système est très rentable :  la Suisse réalise ainsi entre un et deux milliards d’ Euros de bénéfice chaque année10. Quelques milliards d’Euros, c’est justement le prix d’une STEP. En France, il existe 6 grandes STEP,  la plus grande étant celle du barrage de Grand Maison, qui consomme  sur un an 1,7 TWh d’électricité pour permettre la production de 1,4 TWh. (Cliquer pour plus d’informations sur le stockage d’énergie par STEP)

Une autre façon de stocker l’énergie consiste à produire de l’hydrogène. L’hydrogène peut être utilisé soit comme carburant dans un moteur thermique, soit pour produire de l’électricité dans une pile à combustible. C’est ce que fait la centrale solaire expérimentale de Myrte, en Corse.11

vignola-vue-aerienne-4-ld

puce Références

  1. Production et consommation d’électricité en France,

    • Le bilan prévisionnel 2011 (p. 71) indique que  l’énergie produite par l’éolien installé, malgré son  intermittence évite le recours aux centrales thermique. bilan_complet_2011.pdf
    • Le site de RTE permet de connaitre la consommation passée et présente, par filière production-d-electricite-par-filiere

    et les émissions de CO2 due la production électrique emission-de-co2-par-kwh-d-electricite-produite-en-france []

  2. Solaire voltaïque

    []

  3. Centrale solaire voltaïque de Toul

    []

  4. Pour 1 kWc installé, l’ensoleillement produit en France environ 1000 kWh par an, un peu plus dans le sud de la France. Voir Ricaud, cours []
  5. Nouveaux matériaux photovoltaïques

    []

  6. La centrale Gemasolar : http://fr.wikipedia.org/wiki/Torresol []
  7. Éolien

    • Carte des vents : The World of Wind Atlases – Wind Atlases of the World http://www.windatlas.dk/index.htm
    • Le vent en direct ; la balise du golfe du Lion : http://www.infoclimat.fr/mer/bouees.php?id=61002&amp
    • D’après Réseau de Transport d’Électricité (RTE), « Le Grenelle de l’environnement a retenu que l’énergie éolienne constitue l’un des principaux contributeurs potentiels à l’atteinte des objectifs 2020, constituant le quart de l’objectif global et les deux tiers du supplément d’électricité renouvelable, avec un potentiel de 25 GW, répartis entre 19 GW sur terre et 6 GW en mer, pour une production de 57,9 TWh. »

    []

  8. Eolien marin

    []

  9. http://www.belle-ile-union.org/eole-STEP/STEP-marines_Vigny.pdf []
  10. Statistique suisse de l’électricité 2011, page 23 : http://www.bfe.admin.ch/themen/00526/00541/00542/00630/index.html?lang=fr&dossier_id=00768 []
  11. Le stockage de l’énergie par hydrogène : Myrte http://myrte.univ-corse.fr/ et documents annexes : photos et dossier de presse []