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Énergie éolienne : pourquoi ça marche ?
Sandrine Aubrun-Sanches
Maître de conférences Institut PRISME / Polytech’Orleans
Institut PRISME / Polytech’Orléans8, rue Léonard de Vinci45072 Orléans [email protected] : 02.38.49.43.94
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Les énergies renouvelables
Directives européennes de 2001Directives européennes de 2001 pour la promotion des énergies renouvelables:
5,75%5,75% de biocarburants en 20102010 Eléctricité propre, de 14% en 1997 à 21% 21%
en 2010en 2010 50%50% de la production de chaleur d’origine
renouvelable en 20152015
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Les énergies renouvelablesNécessité économique et écologique…
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Capacité installée dans le monde
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L’énergie éolienne dans le monde
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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
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L’énergie éolienne en Europe
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L’énergie éolienne offshore en Europe
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L’énergie éolienne en France
Mars 2009
Prévisions : 25000 MW en 2020
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Les challenges de l’éolien
Taille des éoliennes Installations off-shore Ferme d’éoliennes
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Les composants
pales
tour
moyeu
nacelle
5) l’arbre lent6) Le multiplicateur7) Le frein8) l’arbre rapide9) Génératrice10) Système de refroidissement11) Anémomètres et girouettes
Vitesse de rotation 10 à 50 tr/min
Énergie cinétique énergie mécanique énergie électrique
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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
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Les disciplines concernées
Estimation des ressources éoliennesEstimation des ressources éoliennes Aérodynamique Structures et matériaux (aéroélasticité) Génération d’électricité Intégration au réseau électrique Impact environnemental Finances, économie, régulations, publicité
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Les vents globaux
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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
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Potentiel éolien
Estimer le potentiel éolien d’un site En prospection En temps réel
Codes de calcul météorologique méso- échelles
Code de calcul pour modéliser la couche limite atmosphérique
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La rose des vents
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Variations météorologiques
Variations journalières (cycle diurne) Variations saisonnières Variations annuelles
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La couche limite atmosphérique
Increasing complexity of the wind flow
Bou
ndary
layer
Mixed layer
Surface layer
Urban roughness50m
100m
600 ... 1000 m
Geostrophic wind
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Les types de terrain
Terrain peu rugueux Terrain modérément rugueux
Terrain rugueux Terrain très rugueux
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Les types de terrainCas extrêmes
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La couche limite atmosphérique Modélisation des 100 – 200 mètres de la couche limite
atmosphérique (profil puissance)
Incluant la couche de surface (60 – 100 mètres) (profil logarithmique)
Régi par la rugosité du sol
ref ref
u z z
U z
* 0
1.ln
u z z
U z
z0, longueur de rugosité
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U/U90m
z[m
]
0 0.5 10
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
= 0.19
U/U90m
z[m
]
0 0.5 110-2
10-1
100
101
102
Exemple de profil (modérément rugueux à rugueux)
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U/U90m
z[m
]
0 0.5 10
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
= 0.19
Exemple de profil (modérément rugueux à rugueux)
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La turbulence
0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
4
4.5
5
5.5
6
6.5
série temporelle de la vitesse mesurée à 30 m d'altitude
temps [heure]
vit
es
se
[m
/s]
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La turbulence
Intensité de turbulence [%]
alti
tud
e[m
]
0 10 20 30 40 50 600
50
100
150
200
250
300
Frame 001 21 Apr 2005 Frame 001 21 Apr 2005
très rugueux
rugueux
modérément rugueux
peu rugueux
Intensité de turbulence
100 [%]uu
moy
IU
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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)
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Les disciplines concernées
Estimation des ressources éoliennes AérodynamiqueAérodynamique Structures et matériaux (aéroélasticité) Génération d’électricité Intégration au réseau électrique Impact environnemental Finances, économie, régulations, publicité
![Page 30: Énergie éolienne : pourquoi ça marche ? Sandrine Aubrun-Sanches Maître de conférences Institut PRISME / PolytechOrleans Institut PRISME / PolytechOrléans](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022103112/551d9d91497959293b8c6d75/html5/thumbnails/30.jpg)
Le fonctionnementLa puissance du vent
31.
2V
3 21. . .
2ventP V R
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Le fonctionnement
Extraction d’énergie cinétique
de l’écoulement
distorsion des lignes de courant Puissance extraite
f(V1-V2)
(loi de Betz)
max 160.59
27vent
P
P
2 22 1 2 1
1 1
2 2V V V V
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La loi de Betz (1919)
P/Pvent
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Puissance extraite
Coefficient de puissance
= Puissance extraite/ Puissance du vent
Cp Puissance extraite (W)
0
200
400
600
800
1000
0 10 20 30
Vitesse (m/s)
Pui
ssan
ce (
W)
Coefficient de puissance
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0 10 20 30
Vitesse (m/s)
Cp
Exemple de l’éolienne Neg Micon NM52/900
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Aérodynamique de pales
V
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Aérodynamique de pales
Bernoulli : le long d’une ligne de courant, si la vitesse augmente, la pression diminue
V
![Page 36: Énergie éolienne : pourquoi ça marche ? Sandrine Aubrun-Sanches Maître de conférences Institut PRISME / PolytechOrleans Institut PRISME / PolytechOrléans](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022103112/551d9d91497959293b8c6d75/html5/thumbnails/36.jpg)
Aérodynamique de pales
Bernoulli : le long d’une ligne de courant, si la vitesse augmente, la pression diminue
V
Forte dépression
Faible dépression
portance
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La portance
Cz décrochage
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Aérodynamique des palesen rotation
V
V
RW
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Aérodynamique des palesen rotation
V
RW
portance
traînée
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Aérodynamique des palesen rotation
V
RW
couple
portance
traînée
= (R) en pied de pale, grandEn bout de pale, petit
Traînée globale
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Aérodynamique des palesen rotation
V
RW
= (R) en bout de pale, petit
en pied de pale, grand risque de décrochage pale vrillée
![Page 42: Énergie éolienne : pourquoi ça marche ? Sandrine Aubrun-Sanches Maître de conférences Institut PRISME / PolytechOrleans Institut PRISME / PolytechOrléans](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022103112/551d9d91497959293b8c6d75/html5/thumbnails/42.jpg)
0
10
20
30
40
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1x/R
Inci
den
ce (
°)
% Couple
Incidence
Po
urc
enta
ge
de
cou
ple
(%
)
Aérodynamique des palesen rotation
Répartitions de couple et d’incidence le long de la pale
Obtenues avec le code de calcul EOLECalage : 8° ; Vitesse : 14 m.s-1
< 10° sur la partie de la pale qui fournit l’essentiel
du couple
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Aérodynamique des palesLa corde des pales n’est pas constante
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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
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Sillage d’une éolienne
Impact sur les éoliennes situées en aval
![Page 46: Énergie éolienne : pourquoi ça marche ? Sandrine Aubrun-Sanches Maître de conférences Institut PRISME / PolytechOrleans Institut PRISME / PolytechOrléans](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022103112/551d9d91497959293b8c6d75/html5/thumbnails/46.jpg)
Interaction
![Page 47: Énergie éolienne : pourquoi ça marche ? Sandrine Aubrun-Sanches Maître de conférences Institut PRISME / PolytechOrleans Institut PRISME / PolytechOrléans](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022103112/551d9d91497959293b8c6d75/html5/thumbnails/47.jpg)
D’autres concepts:Eoliennes à axe vertical
Rotor de Darrieus Rotor de Savonius
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Les disciplines concernées
Estimation des ressources éoliennes Aérodynamique Structures et matériaux (Aéroélasticité)Structures et matériaux (Aéroélasticité) Génération d’électricité Intégration au réseau électrique Impact environnemental Finances, économie, régulations, publicité
![Page 49: Énergie éolienne : pourquoi ça marche ? Sandrine Aubrun-Sanches Maître de conférences Institut PRISME / PolytechOrleans Institut PRISME / PolytechOrléans](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022103112/551d9d91497959293b8c6d75/html5/thumbnails/49.jpg)
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
V
couple
couple
traînée
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Résistance des pales
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La tour
tubulaire d’acier en treillis haubanés
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Les pales et la nacelle
Les grandes éoliennes Matériaux plastiques + fibre de verre
Les petites éoliennes Aluminium et acier
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Les disciplines concernées
Estimation des ressources éoliennes Aérodynamique Structures et matériaux (Aéroélasticité) Génération d’électricitéGénération d’électricité Intégration au réseau électrique Impact environnemental Finances, économie, régulations, publicité
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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.)
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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
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La génératrice asynchrone
Indépendant du nombre de pôles
Doit être relié au réseau électrique pour générer le champ magnétique tournant
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Les disciplines concernées
Estimation des ressources éoliennes Aérodynamique Structures et matériaux (Aéroélasticité) Génération d’électricité Intégration au réseau électriqueIntégration au réseau électrique Impact environnemental Finances, économie, régulations, publicité
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Raccordement au réseau
Raccordement direct si le signal électrique généré est à 50Hz (pas réaliste)
Raccordement indirect
transformateurs
filtres
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Intégration au réseau électrique
Énergie éolienne=
Énergie « fatale »…
Dixit RTE (Gestionnaire du Réseau de Transport d’Électricité)
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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
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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)
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Les disciplines concernées
Estimation des ressources éoliennes Aérodynamique Structures et matériaux (Aéroélasticité) Génération d’électricité Intégration au réseau électrique Impact environnementalImpact environnemental Finances, économie, régulations, publicité
![Page 63: Énergie éolienne : pourquoi ça marche ? Sandrine Aubrun-Sanches Maître de conférences Institut PRISME / PolytechOrleans Institut PRISME / PolytechOrléans](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022103112/551d9d91497959293b8c6d75/html5/thumbnails/63.jpg)
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
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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 »
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Les disciplines concernées
Estimation des ressources éoliennes Aérodynamique Structures et matériaux (Aéroélasticité) Génération d’électricité Intégration au réseau électrique Impact environnemental Finances, économie, régulations, Finances, économie, régulations,
publicité publicité
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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)
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Coûts d’un projet éoliencoût moyen du kW installé : 1,7 k€
Durée de vie : 15-20 ans (plus long en mer)
![Page 68: Énergie éolienne : pourquoi ça marche ? Sandrine Aubrun-Sanches Maître de conférences Institut PRISME / PolytechOrleans Institut PRISME / PolytechOrléans](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022103112/551d9d91497959293b8c6d75/html5/thumbnails/68.jpg)
Les composantsCOMPOSANTS % (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%
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Les constructeurs
Nordex (Allemagne) Vestas (Danemark) Dewind (Allemagne) Enercon (Allemagne) Ecotècnica (Espagne) Gamesa Eolica (Espagne) Enron Wind (USA) Vergnet (Orléans, France) « petit éolien » …
Liste non exhaustive
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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.
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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
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Installations offshoreexemple au Pays-Bas
D’ici 2020 25 fermes 50 200 km2
6 GW installé
Perturbation de
l’écoulement
Corten et al. (EWEC 2004)
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Les forces de Coriolis
Observateur terrestreObservateur extra-terrestre
![Page 74: Énergie éolienne : pourquoi ça marche ? Sandrine Aubrun-Sanches Maître de conférences Institut PRISME / PolytechOrleans Institut PRISME / PolytechOrléans](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022103112/551d9d91497959293b8c6d75/html5/thumbnails/74.jpg)
Les forces de Coriolis
Observateur terrestreObservateur extra-terrestre
2cF mV ##########################################
![Page 75: Énergie éolienne : pourquoi ça marche ? Sandrine Aubrun-Sanches Maître de conférences Institut PRISME / PolytechOrleans Institut PRISME / PolytechOrléans](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022103112/551d9d91497959293b8c6d75/html5/thumbnails/75.jpg)
Aérodynamique des pales en rotation
Incidence des pales
géo : Incidence géométrique
: Calage des pales
Contrôlés par l’opérateur
Obtenue à l’aide d’un code de calcul de type ligne portante
induit : Incidence induite
V
rAgéo
.tan
induitgéo
βα
r
V
W
![Page 76: Énergie éolienne : pourquoi ça marche ? Sandrine Aubrun-Sanches Maître de conférences Institut PRISME / PolytechOrleans Institut PRISME / PolytechOrléans](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022103112/551d9d91497959293b8c6d75/html5/thumbnails/76.jpg)
Ecoulement attaché
Ecoulement radial
Ecoulement décollé
Décrochage 3D
Aérodynamique des palesen rotation
La corde des pales n’est pas constante
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Aérodynamique des palesAile de faible allongement
Dépression relative extrados
Surpression relative intrados
- - - - - - - - - - - - - -+ + + + + + + + + +
Écoulement extrados divergent
Écoulement intrados convergent
Perte de portance
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Tourbillon marginal