I. Généralités

1) L'évolution de l'énergie éolienne

          a) explication de la présence de vent et son utilisation

       L’inégale répartition de l’énergie solaire à la surface du globe est à l’origine de la circulation générale des masses d’air, car l’air chaud monte alors que l’air froid descend. De cette façon des zones de hautes pressions ( anticyclones ) et de basses pressions ( dépressions ) se créent. Ainsi apparaissent des mouvements horizontaux et verticaux de masses d’air, plus connus sous le nom de vents .

       Ces vents se déplacent des hautes pressions vers les basses pressions à deux niveaux de l’atmosphère : la troposphère et la stratosphère.

       Les mouvements verticaux et horizontaux combinés forment des cellules de convection et il en résulte trois systèmes de vents dominants pour chaque hémisphère : les alizés, les vents polaires et les vents d’ouest.

        Sur le schéma ci-dessus nous pouvons voir que l’air chaud monte alors que l’air froid descend. Ceci entraîne des zones de hautes et basses pressions.

       On utilise le vent pour différents usages depuis des siècles. Ainsi c’est grâce à lui que les voiliers ont pu découvrir de nouveaux mondes, ou encore que les moulins ont pu tourner pendant des siècles, permettant la fabrication de farine et autres aliments. On se sert également du vent pour le séchage ou de façon plus divertissante avec par exemple les cerfs-volants. Mais actuellement une des plus importante utilisation du vent est sans doute l’énergie éolienne qui s’inscrit dans la lutte contre le réchauffement climatique.

           

           b) les différents types d'éoliennes au fil du temps

        L’ancêtre de l’éolienne, le moulin à vent, existe depuis des siècles. On pouvait trouver plusieurs types de moulins : des moulins afghans, les moulins chinois, à trépied ou encore à tour. Vers 1100 ils servaient principalement pour moudre le blé et pomper l’eau. Mais la première éolienne est vraiment apparue entre 1887 et 1888, construite par l’américain Charles F.Brush. Elle produisait du courant pour 12 batteries, 350 lampes à filament, 2 lampes à arc à charbon et 3 moteurs.

   

 Eolienne de Brush 

        Poul la Cour conçut également plusieurs éoliennes expérimentales au XIXe siècle dont une qui existe toujours à Askov au Danemark. Ensuite pendant la première moitié du XXe siècle les éoliennes ont été confrontées à la concurrence des centrales au charbon et du réseau électrique. Mais, en raison des pénuries de charbon et de pétrole pendant les deux guerres mondiales, la demande en énergie éolienne est restée constante. En 1957, Johannes Juul créa la turbine Gedser, servant de modèle aux éoliennes actuelles.  

Eolienne de Gedser

       Depuis les éoliennes se sont améliorées, elles font moins de bruit, produisent plus d'électricité. Ainsi leur implantation a considérablement augmenté depuis un demi-siècle. De nos jours il existe deux types d'éoliennes : des éoliennes qui créent une force mécanique , appelée éoliennes de pompages, et des éoliennes qui créent de l'électricité, les aérogénérateurs. Ce sont ces dernières que nous allons étudier.

2) Fonctionnement d'une éolienne

           a) constitution d'une éolienne      

       Il y a plusieurs types d’éoliennes, plus ou moins grandes, avec des pales de différentes tailles et donc des rendements différents. Cependant toutes les éoliennes sont composées des mêmes éléments :

  

        1- Les fondations : elles permettent la fixation du mat ; c’est sur elles que repose le poids de l’éolienne.

        2- L'armoire de couplage au réseau électrique : elle est généralement située au pied de l’éolienne et on trouve à l’intérieur les armoires électriques qui contrôlent le fonctionnement de l'éolienne et son rattachement au réseau électrique.

        3- Le mât : il permet d'accéder à la nacelle et sert au passage de câbles électriques, reliés à l'armoire de couplage au réseau électrique. Plus le mat est grand plus l'éolienne dispose d'une vitesse élevée et constante.

        4- Le système d'orientation : il supporte la nacelle et permet de l'orienter afin que les pales soit dans le sens du vent.

        5- Les pales : éléments moteur de l’éolienne qui convertissent la force du vent en énergie mécanique. Le nombre de pales est le plus souvent de trois pour une question de stabilité mais il existe des éoliennes bipales, c'est-à-dire qui ne possèdent que deux pales. Elles sont réalisées dans un mélange de fibres de verre et de matériaux composites. Leur profil est le fruit d'études aérodynamiques complexes car c'est d'elles que dépend le rendement du rotor.

        6- Le moyeu et commande du rotor : il permet de faire pivoter les pales pour un meilleur rendement en fonction de la force du vent.

        7- La nacelle composée elle même de plusieurs parties :

  -le rotor possède un système de torsion qui permet d'orienter les pales pour moduler la prise de vent et ainsi permettre à l'éolienne de tourner toujours à peu près à la même vitesse, c'est-à-dire entre 19 et 30 tours par minute.

  -le multiplicateur de vitesse permet d’augmenter la vitesse de rotation. On passe de 19 à 30 tours par minute à environ 1500 tours par minute.

  -le frein à disque limite la vitesse et bloque la rotation en cas de vent trop fort ou pour la maintenance.

  -le générateur produit le courant électrique.

  -les girouettes et anémomètres permettent de mesurer la vitesse du vent et transmettent ces données à l'informatique de commande. Ainsi l'éolienne peut se régler automatiquement.

 

 

           b) changement de l'énergie cinétique du vent en électricité

        Tout d’abord il faut que l’énergie cinétique du vent soit transformée en une énergie mécanique qui puisse permettre à l’éolienne fonctionner. Ainsi le vent, grâce à la force qu’il émet, va entraîner la rotation des pales, dont la forme est étudiée spécialement pour que le vent les fasse tourner le plus possible. Les pales étant fixées à un rotor, en tournant elles vont également permettre la rotation de celui-ci, qui, relié lui-même à un arbre principal, va le faire tourner. De cette façon l’énergie cinétique du vent a bien été transformée en énergie mécanique. Pour exprimer cela physiquement on peut utiliser la formule suivante :

Ec = ½ m V²

- Ec : énergie cinétique exprimée en joules

- m : masse du volume d’air en mouvement en kg

- V : vitesse du vent en m/s

 

       Ensuite il faut transformer cette énergie mécanique en électricité. Ceci va se passer dans le générateur. En effet celui-ci est composé d’une ou plusieurs bobines de fil de cuivre et d’aimants qui vont se déplacer par rapport à la bobine et qui vont ainsi créer de l’électricité ( voir nos expériences ). C’est ce qu’on appelle l’induction électromagnétique. Elle se manifeste par un potentiel électrique qui apparaît aux bouts d’un conducteur ( ici le cuivre de la bobine ) qui se déplace dans un champ magnétique ( crée par l’aimant). Ainsi une force appelée force électromotrice apparaît : elle est ressentie par les électrons libres dans le métal du conducteur. On peut noter cette force sur une charge :

F = q( E + v x B )

- q : charge

- E : le champ électrique

- v : la vitesse de la charge

- B : le champ magnétique

Toutes les lettres soulignées sont des vecteurs forces mesurés dans un référentiel galiléen.

       Si la force F est dans la même direction que la longueur du fil alors toute sa composante sert à pousser les électrons le long du fil. Si F n’est pas dans la même direction qu’un élément du fil alors il est nécessaire de calculer la composante de la force le long du fil pour obtenir le potentiel. On utilise pour cela la formule dU =F x dl où « dl » désigne le fil et « dU » son potentiel. Ensuite il faut additionner tous les potentiels le long du fil pour obtenir le potentiel total. La composante de cette force dans la direction du fil pousse les électrons jusqu’à ce qu ’un champ électrique opposé se crée dans le conducteur. C’est ainsi qu’apparaît l’électricité dans la bobine.

 

           c) conditions de fonctionnement  

       Pour bien fonctionner une éolienne a besoin de plusieurs éléments. Tout d’abord il lui faut évidemment du vent. La production d’électricité est proportionnelle à la vitesse du vent, du moment où elle est comprise entre à peu prés 4 et 25 m/s soit entre environ 14 et 90 km/h. On peut voir cette évolution sur le graphique ci-dessous :

Production d'électricité en fonction de la vitesse du vent  [ clic gauche sur l'image pour agrandir ]

 

       Ensuite on peut voir que la hauteur du mat à une incidence sur la quantité d’électricité produite. En effet plus on monte en altitude plus la vitesse du vent augmente : c’est le cisaillement du vent. Ainsi la production d’électricité augmente. De plus il faut une hauteur minimum, variable selon la longueur les pales. Ci-dessous la courbe représentative de la production d’électricité en fonction de la hauteur de l’éolienne :

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Production d'électricité en fonction de la hauteur de l'éolienne [ clic gauche sur l'image pour agrandir ]

       Enfin la quantité d’énergie produite dépend également du site où se trouve l’éolienne car la présence d’obstacles diminue la vitesse du vent disponible pour l’éolienne. C’est ce qu’on appelle la rugosité du site :

Production d'électricité en fonction du site  [ clic gauche sur l'image pour agrandir ]

        Dans les trois graphiques présentés ci-dessus nous avons pris comme sujet une éolienne de 1000 KW et de 54 m de hauteur ( cette hauteur varie dans les graphiques 2 et 3 )

3) L'éolien, une énergie d'avenir  

          a) comparaison avec les autres énergies

        L’énergie est une force, une puissance produite à partir de différentes sources et qui permet à un corps ou à un système de produire un travail ou d’élever une température. Il existe plusieurs types d’énergies :

- les énergies de flux qui existent à l’état naturel comme le rayonnement solaire, le mouvement du vent ou encore celle qui nous intéresse ici : le vent. Le principal avantage de ces énergies résident dans le fait qu’elles sont renouvelables infiniment.

- les énergies semi-denses ou intermédiaire qui sont partiellement renouvelables mais plus accessibles que les énergies de flux telle la géothermie.

-les énergies denses qui sont non renouvelables mais d’un emploi aisé. Mais elles sont utilisables à court terme, il faut donc leur trouver des énergies de substitutions. D’autre part elles sont polluantes. On peut citer comme exemple l’énergie nucléaire.

Central nucléaire et moulin, deux sources d'énergies 

        L’énergie éolienne peut ainsi être situé dans le premier groupe car elle est crée grâce à la force du vent. Ainsi elle s’inscrit dans les énergies renouvelables. De plus elle est peu coûteuse une fois que l’éolienne a été remboursé ( les coûts de fabrication, de transport et de construction d’une éolienne se chiffrent entre 1 et 1,3 million d’euros par mégawatt) grâce à la vente ou à l’utilisation de l’électricité et elle peut même rapporter de l'argent puisqu'une éolienne moderne est conçue pour fonctionner pendant environ 120 000 heures durant ses 20 années de durée de vie. Il faut également savoir qu'avec 10MW, c’est-à-dire la production de quatre éoliennes on peut alimenter environs 625 foyers soit à peu prés 2500 personnes hors chauffage. Donc c’est une énergie économique. Enfin elle ne pollue pas car son fonctionnement n’émet aucun dioxyde de carbone, principale cause du réchauffement climatique. Aucun autre déchet ou gaz polluant n’est produit contrairement à l’énergie nucléaire. L’éolien est donc une véritable alternative aux problèmes énergétiques actuels.

          b) évolution de l'émission de CO2 et bienfaits pour l'environnement

       L’énergie permet de réduire les émissions de CO2 si seulement la consommation en électricité diminue. En effet on a pu voir en Allemagne par exemple entre 2000 et 2005 que la quantité de CO2 émis a augmenté de 1,2% dans un secteur éolien. Pendant la même période en Espagne c’est de 10,4% qu’a augmenté l’émission de CO2 alors qu’elle a diminué de 11% au Danemark où beaucoup d’éoliennes ont été installé ( c’est le 1er pays européen avec 586,8KW d’électricité produite par des éoliennes pour 1000 habitants ) et où la consommation en électricité a été modéré. C’est ce que nous explique Raphaël Claustre, directeur du centre de liaison des énergies renouvelables quand il dit  «  Il est sûr que, si l’on ne fait pas d’efforts d’économies d’énergie, l’éolien ne sert à rien » . De plus si la quantité d’électricité produite est supérieur à la demande il y alors des pertes d’énergie ce qui n’est pas un progrès pour l’environnement. C’est le cas à Saint-Brieuc dans les Côtes-d’Amor où un parc éolien en mer coexiste avec une centrale à gaz et de cette façon il y a plus d’énergie que nécessaire.

   

Evolution du CO2 émis par l'homme depuis 1750

       Donc on peut dire que l’énergie éolienne participe à la lutte contre l’effet de serre et ainsi a des bienfaits pour l’environnement si elle fait partie de tout un système qui lutte contre le réchauffement climatique et non pas si elle est utilisée seule.