Généralités sur l’éolien

Les énergies renouvelables sont généralement fournies par le soleil, la chaleur de la terre, le vent, les chutes d’eau, les marées ou encore la croissance de végétaux et d’autres énergies inépuisables que nous sommes en train de les découvrir en fur et à mesure. Leur exploitation n’engendre pas ou peu de déchets et d’émissions polluantes. Par conséquent, elle a beaucoup d’avantage surtout pour l’environnement qu’on peut la considérer comme énergies d’un futur prometteur. Aujourd’hui, elles sont sous-exploitées par rapport à leur potentiel. Ainsi, les énergies renouvelables couvrent seulement 20 % de la consommation mondiale d’électricité.

Parmi les principaux modes de production d’énergie électrique renouvelables, on trouve l’énergie éolienne qui convertit une partie de l’énergie cinétique produite du vent en énergie mécanique disponible sur un arbre de transmission dans le but de produire de l’électricité par l’intermédiaire d’une génératrice.

Définition de l’énergie éolienne 

L’énergie éolienne est une énergie renouvelable non dégradée, géographiquement diffusée et surtout en corrélation saisonnière (l’énergie électrique est largement plus demandée en hiver et c’est souvent à cette période que la moyenne des vitesses des vents est la plus élevée).

De plus c’est une énergie qui ne produit aucun rejet atmosphérique ni déchet radioactif; elle est toutefois aléatoire dans le temps et son captage reste assez complexe nécessitant des mâts et des pales de grandes dimensions (jusqu’à 60m pour des éoliennes de plusieurs mégawatts) dans des zones géographiquement à grandes turbulences [5].

L’énergie éolienne fait partie des nouveaux moyens de production d’électricité décentralisée proposant une alternative viable à l’énergie nucléaire sans pour autant prétendre la remplacer (l’ordre de grandeur de la quantité d’énergie produit étant largement plus faible). Les installations peuvent être réalisées sur terre mais également en mer où la présence du vent est plus régulière.

Les éoliennes sont divisées en trois catégories selon leur puissance nominale. A titre de comparaison, le tableau ci-dessous propose une classification de ces turbines selon la puissance qu’elles délivrent et le diamètre de leur hélice.

Principe de fonctionnement d’une éolienne

L’énergie d’origine éolienne, fait partie des énergies renouvelables. L’aérogénérateur utilise l’énergie cinétique du vent pour entraîner l’arbre de son rotor ; celle-ci est alors convertie en énergie mécanique puis elle-même sera transformée en énergie électrique par une génératrice électromagnétique accouplée à la turbine éolienne.

Ce couplage mécanique peut être soit direct, si la turbine et la génératrice ont des vitesses du même ordre de grandeur ; soit réalisé par l’intermédiaire d’un multiplicateur dans le cas contraire.

Enfin, il existe plusieurs types d’utilisation de l’énergie électrique produite. Elle peut être stockée dans des accumulateurs ou distribuée par le biais d’un réseau électrique ou enfin peut alimenter des charges isolées.

Les éoliennes permettent de convertir l’énergie du vent en énergie électrique. Cette conversion se fait en deux étapes :
➤ Le rotor extrait une énergie cinétique du vent au niveau de la turbine et la converti en énergie mécanique en utilisant des profils aérodynamique. Le flux d’air crée autour du profil une poussée qui entraîne le rotor qui constitue une force parasite.
➤ Au niveau de la génératrice, qui reçoit l’énergie mécanique et la convertit en énergie électrique, transmise ensuite au réseau électrique.

Principaux composants d’une éolienne

Une éolienne « classique » est généralement constituée de trois éléments principaux : d’un mât, du rotor et d’une nacelle :

Mât
Généralement, un tube d’acier ou éventuellement un treillis métallique qui supporte la nacelle et le rotor de la turbine. Il est important qu‘il soit assez élevé (40 à 60 m de hauteur pour une éolienne de 500 kW) pour exploiter les vents les plus forts en altitude. A l‘intérieure de ceux- ci se trouve une échelle qui permet d‘accéder à la nacelle pour entretien.

Rotor
Le rotor est composé par les pales assemblées dans leur moyeu. Pour les éoliennes destinées à la production d’électricité, le nombre de pales varie classiquement de 1 à 3, le rotor tripale (concept danois) étant de loin le plus répandu car il représente un bon compromis entre le coût, le comportement vibratoire, la pollution visuelle et le bruit.

Il existe deux types de rotor :
➤ Les rotors à vitesse fixe qui sont souvent munis d’un système d’orientation de la pale permettant à la génératrice (généralement une machine asynchrone à cage d’écureuil) de fonctionner au voisinage du synchronisme et d’être connectée directement au réseau sans dispositif intermédiaire d’électronique de puissance. Ce système allie ainsi simplicité et faible coût.
➤ Les rotors à vitesse variable sont souvent moins coûteux car le dispositif d’orientation des pales est simplifié, voir supprimé. Toutefois, une interface d’électronique de puissance entre le générateur et le réseau ou la charge est nécessaire. Les pales se caractérisent principalement par leur géométrie dont dépendront les performances aérodynamiques et les matériaux dont elles sont constituées (actuellement, les matériaux composites tels la fibre de verre et plus récemment la fibre de carbone sont très utilisés car ils allient légèreté et bonne résistance mécanique).

Nacelle
Elle rassemble tous les éléments mécaniques permettant de coupler le rotor éolien au générateur électrique : arbres, multiplicateur, roulement, le frein à disque qui permet d‘arrêter le système en cas de surcharge, le générateur qui est généralement une machine synchrone ou asynchrone, les systèmes hydrauliques ou électriques d‘orientation des pales (frein aérodynamique) et de la nacelle (nécessaire pour garder la surface balayée par l‘aérogénérateur perpendiculaire à la direction du vent).