L’évolution des énergies éoliennes

Dès la fin du XIXe siècle, l’idée d’utiliser l’énergie extraite du vent pour produire de l’électricité est évoquée. Des premiers essais pour l’application du moulin à vent sont tentés par le Belge Nollet (1841), le britannique James Blyth (1891) et surtout par l’américain Charles Brush (1888), grand industriel en électricité, avec un moulin en bois pour alimenter sa résidence de Cleveland dans l’Ohio [1] (Figure I.2) Le diamètre de rotor de ce moulin faisait 17 m, il est composé de 144 lames en cèdre, la longueur de gouvernail utilisé pour l’orientation est de 18 m. Une dynamo Brush de 12 kW peut charger 12 batteries de 34 accumulateurs pour alimenter quotidiennement 100 lampes à incandescence, 2 à arc et 3 moteurs électriques. Cette installation a fonctionné pendant 20 ans. Suite à cet exploit, l’utilisation des aéromoteurs ou aérogénérateurs (appelés windchargers) aux états unis n’a pas connu d’évolution majeure parce que les machines proposées pour produire de l’électricité sont les mêmes que celles utilisées pour le pompage, c’est-à-dire multipales lentes. Au Danemark à partir 1891[1], Poul La Cour, électricien connu par des travaux portés sur l’efficacité aérodynamique du rotor, proposa la construction d’un moulin particulier à seulement 4 pales. Ses travaux ont conclu qu’une réduction du nombre de pales améliorait la vitesse de rotation et par conséquence le rendement énergétique. En 1897, il a conçu une installation de production d’électricité, dotée d’une éolienne, capable d’éclairer la bourgade d’Askov (300 lampes à incandescence et 12 lampes à arc).

En 1903 il mit au point un modèle simple et robuste, la Klapsejler à 6 pales, qui sera très populaire dans son pays [1]. La conception des éoliennes a beaucoup bénéficié de l’essor de l’aéronautique. En particulier, de nombreuses expérimentations ont eu lieu sur des profils d’ailes ou d’hélices en Allemagne pendant la Première Guerre mondiale avec Prandtl (soufflerie de Göttingen) et en France dès 1910 avec A. Rateau et G. Eiffel (soufflerie du Laboratoire Eiffel à Auteuil [1] [2] (Figure I.3). La recherche aéronautique entreprise par Louis Constantin innovera, par la suite, avec la réalisation d’une première éolienne. En exploitant ces connaissances en mécanique des fluides, il eut l’idée, entre autre, d’appliquer les développements faits sur les hélices et formula dès juin 1924, dans un article dans la revue « la Nature », quelques principes des machines modernes (nombre de pales, vitesse périphérique…) et proposa même un schéma d’interconnexion pour une ferme éolienne. Il commença en 1926 par manque de soutien des essais sur une éolienne de 8 m de diamètre qu’il testa dans le massif central puis en Camargue. La particularité de ce prototype est son rotor à deux pales métalliques et profilées, inspirées des hélices Levasseur [1]. Le système d’orientation est constitué de surfaces métalliques en aval du rotor.

Les premières réalisations G. Darrieus, dépose en 1925 un brevet en France concernant les éoliennes à axe vertical. C’est sur les terrains proches de l’usine du Bourget qu’il fût construire en 1927 une première éolienne de 8 m de diamètre (Figure I.4) [1] [44]. D’autres réalisations ont vues le jour à travers le monde, par exemple aux États-Unis avec des petites unités de 1 à 3 kW. A la fin de la Première guerre mondiale le Danemark, possédait plus d’une centaine d’unités allant jusqu’à 35 kW [1] [44] (Figure I.5). Figure I. 5 : Éolienne de conception Lykkegaard (avec éléments de pale mis en drapeau) [44]. En Russie, afin de produire une puissance unitaire plus importante, ils arrivent à installer en 1930 une éolienne de 30m de diamètre à Balaklava (Crimée), construite par l’Institut Central de l’Énergie du Vent (ZAHI) de Moscou (Figure I.5), sa puissance nominale atteinte est 100 kW à une vitesse de vent de 10.5m/s [1] [44]. Figure I. 6 : Éolienne Z.A.H.I D‐30 DE 100 kw à Balaklava [44]. La croissance de l’utilisation des énergies fossiles avec des prix attrayant aura comme conséquence le ralentissement des activités de recherche et ce développement dans l’éolien. A la suite de la seconde guerre mondiale, un second souffle a été donné à l’éolien avec de nouvelles recherches et réalisation, à titre d’exemple nous citerons, les développements entrepris par F.L. Smidth (Danemark) avec les machines de 50 et 70 kW, ainsi que d’autres recherches entreprises par Ulrich Hütter pour le compte de la compagnie Ventimotor (Allemagne). Dans le tableau suivant, on trouve les caractéristiques comparées des gros prototypes pendant et après-guerre mondiale [1]. Suite au faible prix du baril de pétrole dans les années 1960, le développement et la technologie d’utilisation des éoliennes vont connaitre un sérieux ralentissement, jusqu’aux années 1970 et le premier choc pétrolier. Vu le prix du pétrole à l’époque, l’estimation du coût du kW a encouragé la reprise des activités dans les installations d’éoliennes et a permis sa relance de nouveau.

Développement des éoliennes après le 1er choc pétrolier

Dès 1974, en profitant des connaissances du milieu aéronautique, les États-Unis ont lancé un grand programme de recherche et de développement dans la filière éolienne. Ce programme est basé sur l’association avec des partenaires qui provient des industries aéronautiques pour la fabrication des pales (Lockheed, Boeing et Hamilton) et industries électriques (General Electric et Westing-house) [1] [23]. Une équipe de la NASA a commencé par l’étude des anciennes réalisations tant américaines qu’européennes. Après plusieurs années de recherche, ces réflexions aboutirent à plusieurs réalisations, toutes basées sur une configuration bipale downwind : un prototype MOD 0 de 100 kW en 1975 suivi par quatre autre MOD 0A de 200 kW à partir de 1977 et un MOD 1 de 2 MW en 1979 [1] [11] (Figure I.7). Malheureusement tous ces prototypes ont eu des problèmes soit dans leurs rotors construits en alliage d’aluminium ou en acier pour le MOD 1, soit dans les pales à cause des oscillations qui entraînent une fatigue accélérée du premier jeu pour le MOD 0. Pour pallier à ces problèmes et après plusieurs études, l’ensemble des rotors fut donc modifié.Par la suite, de nouveaux prototypes, plus grands, ont été réalisés, avec une configuration bipale upwind. En Allemagne, l’erreur fut commise à cette période est le passage emblée vers une énorme machine. En 1982, a été réalisé une machine bipale downwind de 3 MW pour 100 m de diamètre (Figure I.8). Cette machine en engloutissant 55 millions de dollars, n’a fonctionné que 420 heures en 5 ans (source M. Heymann) [1] [11]. Figure I. 8 : Growian, l’éolienne bipale downwind allemande de 3 MW [1]. Les expériences, en Grande-Bretagne, sur de gros prototypes ont conduit à des résultats plus ou moins concluant (WEG LS-1 de 3 MW en 1987) ou en Suède (Näsudden 3 MW en 1983). Le concept bipale resté toujours le plus ravissant pour les concepteurs malgré tous les échecs, que ce soit pour des petites ou des grandes machines [1]. Afin de synthétiser le développement des éoliennes, la partie droite de la (Figure I.9) schématise l’évolution du diamètre en fonction de la puissance et de l’année d’arrivée des prototypes.

Développement des énergies éoliennes en Algérie

Selon le site international des énergies renouvelables, l’Algérie occupe la 11ème place parmi les pays africains qui utilise l’énergie éolienne avec une capacité de production d’environ 10 MW à la fin de l’année 2016 [8]. La première éolienne installée en Algérie revient à la période coloniale, en 1953 par « le Service de la colonisation et de l’Hydraulique » relevant des militaires. Ce service a comme rôle le contrôle des territoires du sud algérien. Actuellement, elle appartienne à la station de l’Institut National de Recherche Agronomique (INRA) d’Adrar. Constitué d’un mat de 24 m surmonté d’une hélice à trois pales d’un diamètre de 15 m (Figure I.14) En 1957 un autre aérogénérateur de 100KW, conçu par l’ingénieur français ANDREAU, de type bipale pneumatique à pas variable de 30m de hauteur et 25m de diamètre, a été installé au premier temps à St-Alban en Angleterre puis rachetée par l’entreprise d’électricité et du gaz d’Algérie et implanté sur le site des grands vents d’Alger [8]. En 2014, le premier parc éolien implanté dans l’Algérie indépendante est celle de Kaberten à la wilaya d’Adrar d’une puissance de 10.2 MW (Figure I.15). Cette installation composée de 12 éoliennes, a été mise en service début juin 2014. Chaque éolienne est d’une capacité de 850 KW avec un diamètre de 52m et une hauteur de 55m. La superficie de ce parc est d’environ 33 hectares. Le taux de pénétration de l’énergie et de 5% par rapport au réseau local. L’Algérie s’est fixée comme objectif d’atteindre près de 40% de la production national d’électricité en sources renouvelable à l’horizon 2030. Les prévisions fixent la capacité de l’énergie éolienne a installé pour la période s’étalant de 2015 à 2020 à 5010 MW pour atteindre une puissance de 1 GW vers l’année 2030. Parmi les projets programmés et en plus de la réalisation de deux fermes éolienne à Adrar, l’ONM a mis en évidence d’autres sites dans le sud soit à Tamanrasset ou à Djanet et Ain Salah [8] [29].