Memoire Online - L'avenir de l'éolien

ENSAM

Campus de Talence

Maxence FONTANA

2020

L'AVENIR DE

L'EOLIEN

Mémoire - Projet personnel 2ème année

Avant de commencer la présentation de ce rapport, nous profitions l'occasion pour remercier du fond du coeur toute personne qui a contribué de près ou de loin à la réalisation de ce document.

Je tiens à exprimer ma profonde reconnaissance à M..PERRY et Mme VIGNE professeurs encadrants pour leur soutient et pour leur aide.

Mes remerciements à Alexandre Torre à qui je voudrais témoigner ma reconnaissance, il m'a beaucoup soutenue durant mon projet et a mis à ma disposition toutes les informations nécessaires lors de l'élaboration de mon rapport de stage, et qui m'a encadré lors de ce stage exécutant .

Je n'oublierais pas de remercier Mr A.BEN-ABDELWAHED pour sa disponibilité et pour m'avoir aidé à délimiter le cadre de mon projet.

Que tous ceux qui ont contribué à mener à bien ce rapport trouvent ici l'expression de ma parfaite considération.

Depuis les années 1860, la consommation énergétique n'a jamais cessé de croître, mais ce n'est que ces dernières années que l'aspect écologique préoccupe de plus en plus les entreprises et les gouvernements, l'intérêt collectif se penche de plus en plus vers la découverte de nouvelles alternatives.

La question d'alimenter une région entière simplement avec l'éolien peut susciter des interrogations.

Pour répondre à cette problématique, nous verrons dans ce document en premier lieu le fonctionnement d'une éolienne puis nous aborderons des sujets comme la place de l'éolien et ses prochaines évolutions dans notre monde.

Certains prônent un monde dans lequel le nucléaire et les émissions de CO2 ne seraient que de mauvais souvenirs et pensent que les énergies renouvelables, seraient suffisantes pour alimenter toute notre consommation.

La problématique énoncée est la suivante. Comment va évoluer le secteur éolien en France dans les années à venir ?

Aujourd'hui comment est alimentée la région nouvelle aquitaine - état des lieux.

Introduction

Les énergies renouvelables sont propres et inépuisables (si on exclut leur production) dans une société où le coût des énergies ne fait qu'augmenter. Les pays encouragent de plus en plus les chercheurs à étudier et développer des systèmes de conversion d'énergie renouvelable que ce soit l'éolien, la géothermie ou autres sources d'énergie propres.

Nous savons que les énergies fossiles s'amenuisent et ont un impact négatif sur l'environnement, les énergies renouvelables sont donc perçues comme une solution d'avenir pour subvenir aux besoins énergétiques de notre population.

L'énergie éolienne est une source d'énergie 100% propre. Elle est développée par de très nombreux pays et croît d'année en année.

On considère comme énergies renouvelables, les sources d'énergies propres et inépuisables, des énergies issues du soleil, du vent, de la chaleur de la terre ou encore de l'eau. À la différence des énergies fossiles que l'on consomme plus vite qu'elles peuvent se produire.

Toutes ces énergies propres sont des solutions prometteuses pour concurrencer l'énergie nucléaire et l'énergie fossile.

On peut observer ici un graphique montrant que la France dépend à 72 % des énergies fossiles. Les énergies renouvelables représentent 10 % et le nucléaire 16 % de l'énergie finale que nous consommons.

L'énergie solaire est à notre époque une des plus connues, elle dépend du soleil, ce dernier nous chauffe et nous éclaire et il permet également de générer de l'électricité à partir de panneaux photovoltaïques.

Deux types d'énergie solaires sont actuellement utilisées, l'énergie à effet thermique et celle à effet photovoltaïque. Les deux types seront expliqués par la suite.

Dans le cas des systèmes passifs/ domestiques, comme une véranda, une façade vitrée ou bien une serre, le principe consiste à capter le soleil et le capter au sein de ces systèmes.

Dans les systèmes actifs, on recherche à redistribuer toute cette énergie à l'aide d'un fluide caloporteur.

Les hautes températures comprises entre 500 et 1800 degrés sont atteintes à l'aide de miroirs orientables sur un seul et même point du four solaire. On atteint ces températures à l'aide d'un processus de transformation avec un cout élevé.

* Pour les basses températures, une utilisation domestique telle que l'eau chaude sanitaire, le chauffage. Une température comprise entre 30 et 100 degrés est optimale.

Lorsqu'on recherche des moyennes températures comprises entre 100 et 500 degrés, on pourra utiliser cette chaleur pour le séchage, la cuisson, la distillation.

Le principe de conversion d'énergie solaire en énergie électrique apparaît au XIXème siècle avec l'effet photovoltaïque découvert par Becquerel. Le terme « photovoltaïque » tire son origine de » photo » signifiant le soleil et « volt » ayant un rapport avec l'électricité.

Le principal composant d'un panneau solaire photovoltaïque est un module qui permet de transformer l'énergie du soleil en électricité.

Ce procédé est rendu possible par les cellules photovoltaïques qui composent le module. Chaque cellule est produite à l'aide d'un matériau semi-conducteur appelé le silicium. Ce matériau a un comportement assez spécifique lorsqu'il est exposé au rayonnement solaire, les électrons vont s'agiter de sorte à créer un courant continu.

L'énergie hydraulique est produite par la chute de l'eau d'un niveau plus élevé que l'autre, le courant qui entraîne l'eau fait tourner de grosses turbines dont la rotation alimente des générateurs.

Il s'agit d'une des énergies les moins controversées. Son avantage principal est que l'on peut décider de produire de l'énergie en fonction de la demande de la population en ouvrant les vannes des conduits d'eau à toute heure, là où pour des panneaux solaires on doit attendre la lumière du jour.

L'énergie hydraulique permet une production d'énergie locale, contrôle les inondations et peut créer une réserve d'eau pour différentes utilisations que ce soit pour les cultures ou pour la faune et la flore environnante. Elle présente néanmoins quelques désavantages d'ordre écologique, par le blocage des passes à poissons et la modification de l'habitat aquatique.

On parle d'énergie géothermique lorsqu'une énergie est produite grâce à la chaleur de la terre, cette énergie est stockée à l'intérieur de réservoirs souterrains de roche et de vapeur chaude. La vapeur extraite dans les souterrains de la terre fait tourner des turbines électriques alimentant des générateurs afin de produire de l'électricité.

Un des avantages de cette énergie est que comme pour les barrages hydrauliques, la géothermie est indépendante des conditions climatiques extérieures. Malheureusement, pour un rendement plutôt faible, les coûts d'installation des forages peuvent être très élevés, car même si le coût d'exploitation est quasi nul, les coûts de l'installation représentent une somme conséquente

Histoire

On utilise l'énergie éolienne depuis plus de deux mille ans, à l'époque très utile pour faire tourner les moulins à grains. Les pompes éoliennes mécaniques étaient aussi grandement utilisées au 19ième siècle pour drainer ou irriguer, elles ont modifié le paysage de nombreux pays.

On lit sur cette carte que la production électrique par le biais de l'éolienne a bien évolué et est gérée par de multiples grand groupes.

À notre époque l'énergie éolienne n'est plus utilisée à des fins agricoles mais majoritairement pour une production d'électricité.

Avec une capacité de production du parc éolien installé portée à 16 494 MW, avec 1 361 MW nouvellement raccordés, la France mise de plus en plus sur cette énergie renouvelable et nous avons donc observé une hausse de 9% par rapport à fin 2018.

Si nous prenons du recul sur l'histoire, la découverte de la conversion de l'énergie du vent en électrique s'est faite en 1973 quand le prix du pétrole passait de 13 à 35 dollars US.

Les pays de l'occident ont cherché à devenir indépendants en réduisant les importations de pétrole. Ils ont rapidement développé l'énergie éolienne se convertissant en électricité.

Depuis cette période, les technologies en matière d'éolienne deviennent de plus en plus performantes avec une production mondiale cumulée de 700GW.

Il existe actuellement deux types d'éoliennes qui tirent leurs différences de l'axe de la turbine par rapport au sol on a donc les éoliennes à axe horizontal et les éoliennes à axe vertical

Les éoliennes à axe vertical

Elles sont les premières à être apparues pour la production d'électricité, c'est le type d'éolienne le moins répandu, seulement deux sont viables et encore au stade de production d'électricité.

Elles sont certes moins performantes que celles à axe horizontal mais elles sont plus robustes, nécessitent peu d'entretien et n'ont surtout pas à être orientées au gré du vent, malheureusement la structure fait qu'elle doivent fonctionner avec un vent proche du sol et donc freiné par les reliefs

Les éoliennes à axe horizontal

Ce sont les plus démocratisées. Elles sont basées sur les mêmes principes qu'un moulin à vent. Les trois pales sont parfaites pour capter la majorité du vent entrant. Le coût d'installation et l'aérodynamisme de la structure en font une structure adaptée.

Ce type d'éolienne est moins exposé aux contraintes mécaniques et a un coût d'installation et d'entretien moins important.

Pour obtenir de l'électricité à partir du mouvement du vent, il faut connaitre ces différentes parties de l'éolienne qui permettront de mieux expliquer son fonctionnement :

La turbine qui s'occupe de transformer l'énergie du vent en énergie mécanique Une transmission mécanique

Selon le type d'utilisation de l'éolienne on trouvera certaines de ces parties plus ou moins développées, on distinguera donc les éoliennes autonomes des éoliennes raccordées au réseau.

Nous allons donc examiner les principes de base, si le vent qui tourne peut faire tourner les ailes, nous obtiendrons de l'électricité par le générateur qui est raccordé. Mais comment le vent fait il tourner l'aile ?

Si on observe plus en détail la lame de l'éolienne. La lame dispose d'un grand profil aérodynamique formé de plusieurs tailles et formes de la base jusqu'à son extrémité : la pointe.

La technologie simple de la structure aérodynamique fait tourner les pales de l'éolienne, cela signifie qu'une force de poussée est créée par le déplacement d'un fluide sur la surface d'une aile, de cette façon est atteinte la rotation normale à laquelle nous sommes habitués.

Tout comme dans un train en mouvement , tout se passe de façon relative, la pale de l'éolienne en mouvement subit également le vent de façons relative, pour la pale en mouvement la vitesse relative du vent est représentée de cette manière, on comprend bien que ce n'est pas le même axe que le vent .

Par conséquent la pale de l'éolienne est positionnée de manière alignée de façon à s'aligner avec la vitesse relative du vent. Tout cela à l'aide de capteurs au sommet de celle-ci.

Au fur et à mesure que la vitesse des pales augmente, jusqu'à son extrémité, la vitesse relative du vent devient plus inclinée vers l'extrémité. Cela signifie qu'une torsion continue est donnée à la lame de la base à la pointe.

Cependant cette rotation ne peut être directement couplée à un générateur car les pales des éoliennes tournent généralement à un très faible régime de tour / minutes, à cause du bruit et de la résistance mécanique

Compte tenu de cette faible vitesse de rotation. Il est impossible de produire une fréquence électrique suffisante pour le générateur . Ainsi avant le raccord du générateur, la vitesse est accélérée dans une boîte de vitesse. La boîte de vitesse utilise un démultiplicateur de force pour obtenir un grand rapport. Le rapport est généralement de [1 :90].Alors des convertisseurs électroniques de puissance ajustent la fréquence du courant produit par l'éolienne à celle du réseau électrique associé tout en permettant au rotor de l'éolienne de tourner à vitesse variable en fonction du vent.

Un frein se trouve également dans la nacelle. La fonction du frein consiste à arrêter la rotation des pales en cas de vent excessif.

Un transformateur de puissance élève la tension produite par le générateur situé lui aussi dans la nacelle de sorte qu'elle puisse être couplée au point de raccordement du réseau électrique public le plus proche

Par conséquent l'électricité produite est transférée par les câbles vers la base où se trouve un transformateur élévateur.

Les pales doivent normalement être dirigées face au vent pour extraction d'énergie maximale mais la direction du vent peut changer à tout moment. Un capteur de vitesse installé sur le dessus de la nacelle mesure la vitesse et la direction du vent. L'écart dans la direction du vent est envoyé à un contrôleur électronique, qui à son tour envoie un signal approprié au mécanisme embarqué pour corriger cette erreur, ainsi l'éolienne sera toujours alignée avec la direction du

Selon la vitesse du vent, les variations affectent aussi les angles de vitesse du vent. Un mécanisme d'inclinaison des lames, incline les lames et garantit un alignement correct de ces dernières avec la vitesse relative. Ainsi les pales sont toujours placées selon l'angle d'attaque optimal par apport au flux relatif du vent.

Onshore : L'avantage des éoliennes onshore, qui sont situées sur la terre ferme, est que leur installation est bien moins coûteuse qu'une éolienne en mer. L'électricité est directement produite à l'endroit où est située la demande. Par ailleurs, beaucoup de propriétaires et institutions régionales peuvent profiter des projet éoliens onshore.

Offshore : La construction d'une éolienne offshore nécessite d'importants investissements et des risques conséquents. Les parcs éoliens appartiennent la plupart du temps à de grand fournisseurs d'électricité, ce qui fait une part de plus-value régionale très faible

Mais une éolienne offshore a certains avantages comparés à ceux d'une éolienne onshore, la production est bien plus importante si l'installation est fonctionnelle. Cependant il est nécessaire d'installer de la terre ferme jusqu'à l'éolienne, de longs câbles de transmissions qui peuvent vite s'avérer très couteux.

Le schéma ci-dessus nous montre les plages d'utilisation de l'éolienne. On peut découper ces parties en plusieurs segment distinct de sorte à rendre cela plus visuel .

L'énergie électrique fournie par une éolienne est fortement variable au cours du temps. En effet, une éolienne ne délivre sa puissance maximale (dite encore puissance nominale) que dans une fourchette de vitesses de vent assez restreinte : trop lent, le vent n'entraîne pas les pales assez vite, trop rapide, il les entraînes trop vite et il faut réduire la vitesse de rotation (en faisant pivoter les pales) pour éviter des perturbations aérodynamiques en bout de pale.

Pour une éolienne de 175 kW de puissance nominale le tableau ci-dessous donne la puissance effective en fonction de la vitesse du vent. Une puissance nominale 10 fois plus importante ne change pas grand-chose à la manière dont la puissance fournie varie avec le vent (ou encore le % de la puissance installée en fonction du vent).

Une des autres contraintes qui doit être prise en compte lors de l'installation d'un parc éolien est la rugosité et le cisaillement. Ce sont des notions qui, à des altitudes élevées ne posent pas de problèmes (à environs 1 km du sol).

Néanmoins lorsque les installations se situent dans les couches d'air plus basses, la friction contre la surface du terrain influe directement sur la vitesse du vent.

Dans le secteur éolien on distingue bien la rugosité du terrain et l'influence exercée des obstacles situés sur le paysage ( orographie d'un paysage ).

C'est une des caractéristiques principales qui font de l'éolien offshore un meilleur atout que l'éolien onshore ( pour ce qui est de récolter dans les pales une vitesse de vent élevé).

La rugosité freine fortement la vitesse du vent, on observera donc qu'une piste d'atterrissage ou un désert n'influeront presque pas sur la vitesse du vent alors qu'une ville, une forêt, ou encore un champ de longues herbes auront une action conséquente sur l'écoulement de l'air.

On classe donc avec une échelle les différents terrains en fonction de la classe de rugosité et la longueur de celle-ci. On aura donc la mer classée 0 et les forêts classées à 4.

Pour une autre vitesse du vent on peut voir le graphique ci-dessus donnant une représentation plus visuelle du cisaillement.

Le cisaillement du vent est un concept assez simple, si on considère une vitesse du vent à 100m de hauteur, cette vitesse, si et seulement si la rugosité du terrain >0 sera décroissante lorsqu'on se rapproche du sol.

Il s'agit donc de prendre en considération cette donnée car pour une éolienne dont le rotor est situé à 40m de hauteur, la vitesse du vent sera égale à 9,7 m/s au point le plus haut de la surface balayée par le rotor, contre 7,7 m/s au point le plus bas. On en déduit que les forces exercées sur le haut des pales sont bien plus importantes que lorsqu'elles sont positionnées au plus bas .

Que ce soit en France, dans le monde ou bien dans la région aquitaine, les terrains, notre paysage, tous les endroits sont soumis à un changement constant de la vitesse du vent, sa capacité énergétique change donc aussi.

Il y a plusieurs facteurs qui influent sur la variation du vent, la topographie du terrain et ses obstacles, la météo. Ces facteurs ont donc un impact direct sur la production d'énergie bien que pour les variations de courte durée l'inertie du rotor de l'éolienne compense ces variations.

En Aquitaine principalement on observe des écarts de température entre la terre et l'océan plus importants au cours de la journée que pendant la nuit. Pour les grands groupes, sachant qu'ils ne peuvent que très difficilement stocker l'énergie produite par les éoliennes, il s'agit d'un avantage pour eux sachant que la production majeure d'électricité se fait pendant la journée.

Si on prend du recul on observe aussi du changement selon les saisons, en effet dans la région aquitaine qui reste tempérée on observe que les vents d'été sont faibles comparés aux vents d'hiver.

Ce qui pour la région aquitaine présente une combinaison idéale car le chauffage électrique des maisons varie de la même façon que l'augmentation de la vitesse du vent.

On peut ici se faire une idée, considérant l'indice d'énergie du vent en aquitaine (moyenne = 100)

Nous avons donc vu que l'énergie éolienne présentait de multiples avantages mais la problématique majeure liée au stockage de l'énergie produite reste une contrainte trop importante pour ne pas être prise en compte.

En France et dans le réseau aquitain la production est parfaitement raccordée au réseau électrique, l'électricité n'est pas stockée mais directement redistribuée dans le réseau électrique.

Sachant que nous ne pouvons pas stocker, car la production est intermittente et difficile à contrôler : nous dépendons de la présence d'un vent suffisamment puissant pour faire tourner les pales.

Nos technologies de stockages sont actuellement trop limitées pour pouvoir être implantées dans des parcs éoliens.

Le stockage par batterie qui malheureusement nécessite beaucoup d'espace, les batteries sont très polluantes, difficilement transportables mais ont surtout une durée de vie très limitée.

Une autre alternative est de transformer l'électricité produite en hydrogène de sorte à la rendre plus maniable, l'hydrogène peut en effet être facilement stocké et transporté.

La dernière alternative est le stockage mécanique de l'énergie éolienne à l'aide des Stations de Transfer d'Energie par Pompage (STEP) le principe consiste à remonter de l'eau vers un barrage en amont . C'est une des alternatives les plus viables car l'énergie hydraulique est l'énergie renouvelable la plus modulable et maitrisée. La seule contrainte est la nécessité que les éoliennes soient implantées à proximité des barrages.

À l'aide des prévisions météorologique plusieurs jours à l'avance, nous pouvons ajuster la puissance de toutes les centrales thermiques pour pouvoir bénéficier au maximum des énergies renouvelables.

En France et en Aquitaine, l'énergie éolienne est donc principalement utilisée en temps réel.

Maintenant que nous avons les clefs du fonctionnement d'une éolienne pour répondre à cette

question, nous devons analyser les données de la région Aquitaine à l'heure actuelle.

La consommation finale d'électricité de la région aquitaine est de 39,8 TWh, cela correspond à 9% de la consommation nationale, elle a néanmoins une production supérieure à sa consommation avec 56,9 TWh de produit en hausse tous les ans.

La région compte investir 500Millions d'€d'ici 20203 pour accompagner la transition énergétique.

D'année en année on observe une hausse de l'hydraulique, de l'éolien et du solaire. Si on observe la répartition de la production électrique régionale, on remarque que les énergies renouvelables comptent pour 20% de la production .

La région accorde une part importante depuis quelques années à la transition énergétique, on peut voir qu'une grande partie de la consommation de la région est produite par des énergies propres. Nous allons maintenant essayer de voir si une production éolienne serait suffisante pour subvenir aux 40 TWh de la région.

Nous allons délimiter les éléments qui influent sur la production d'une éolienne de sorte à connaitre l'énergie que pourrait produire une seule éolienne dans la région aquitaine.

Pour que nos calculs ne soient pas erronés, il faut prendre en compte certains points clefs

- Le rendement mécanique du transfert de l'hélice vers l'aérogénérateur - Le rendement électrique du générateur électrique

Mais généralement si une éolienne de 2MW est bien située, elle pourra produire 4GWH /an.

Si on fait un rapide calcul, dans le cadre optimal ou les éoliennes seraient en bon fonctionnement, 10 000 éoliennes seraient nécessaires.

Selon un article paru en 2019 la France comptabilise 6500 éoliennes sur tout le territoire

« Les 6500 éoliennes installées en France ont une capacité totale de puissance de 13,559 gigaWatts (GW). Arrondissons ce chiffre à 13. Selon le panorama de l'électricité renouvelable, 24 térawattheures (TWh) d'énergie ont été produits par ces éoliennes en 2017, soit 24 000 gigawattheures (GWh) »

Ci-dessous une rose des vents du littoral aquitains , on comprend que les éoliennes soient tournées vers l'Est car c'est là d'où viennent les vents les plus puissants.

Le cout d'une éolienne est défini par plusieurs critères, par le matériel, le raccordement, l'implantation du parc, les études faites par des ingénieurs qualifiés en amont. Tous ces critères font du cout d'implantation par MW en France d'un million d'euro. Le prix varie fortement en fonction de l'éolienne et de son terrain d'implantation.

L'implantation d'un parc terrestre coûtera environ 2.6 millions le MW, tandis que l'exploitation offshore sera bien plus coûteuse en raison de la difficulté de l'installation de celle-ci et des raccordements du système électrique.

Le prix peut varier pour les éoliennes spécialisées dans les zones de vent faible, ce qui serait le cas pour la région aquitaine car seulement le nord est alimenté par des vents élevés.

Si la production de 10 000 éoliennes pour la région aquitaine était engagée, le prix de celles-ci ne serait pas le même pour toutes car certaines zones auront besoin d'un grand mât pour les zones sans vent (pour capter le vent en hauteur de sorte à limiter la rugosité du terrain comme dit précédemment ).

Ci-dessus un graphique répertoriant les différentes éoliennes en fonction de leur puissance.

Les éoliennes produites après 2001 ont une technologie différente faisant fortement varier leur prix, en effet, cette nouvelle génération peut faire varier la vitesse de rotation et gérer l'orientation des pales.

Comme dit précédemment les coûts d'exploitation sont variables suivant le type d'éolienne (onshore/offshore) mais aussi suivant la constitution des sols.

Les coûts de l'installation pour l'onshore sont importants à cause du prix que coûte la création de la fondation en béton armé, des routes (souvent de campagne sur terrain plat) assez bien créées pour résister aux camions de 30 tonnes acheminant les composants de l'éolienne. L'implantation du transformateur nécessaire à la conversion du courant, La liaison téléphonique permettant à la centrale de piloter, et surveiller les éventuelles défaillances de l'éolienne.

Les éoliennes sont généralement connectées en réseau, et leur nombre correspond à la consommation de la zone, des habitations etc. Généralement dans les zones ou l'éolien est le plus développé, l'implantation des parcs couvre 10% des dépenses des énergies des ménages .

Pour la réponse à notre problématique nous aurions donc un problème supplémentaire, si nous venions à vouloir couvrir 100% de la consommation électrique nous devrions donc renforcer le réseau local en créant des extensions du réseau électrique à haute tension .

Pour ce qui est des coûts d'exploitation d'une éolienne nous savons que si aucun souci majeur apparaît, dans ses 20 ans de fonctionnement on comptabilisera environs 120 000 heures utiles.

La période des 20 ans permet un bon compromis pour les ingénieurs qui conçoivent de nouveaux profils, de nouveaux composants moins défaillants. Les charges de fatigue sont néanmoins une contrainte majeure limitant le nombre d'heure de fonctionnement.

La nouvelle génération d'éoliennes est illustrée par le graphique ci-dessus : les différents types d'éolienne.

Dans le cadre où les éoliennes pourraient produire la puissance nécessaire pour alimenter toute une région cela reviendrait à remplacer continuellement tous les parcs au bout de 20 ans, ce qui produirait malheureusement une grande dose de déchets non recyclables, des coûts astronomiques et une main d'oeuvre conséquente.

Ne serait-il pas préférable de tenter de diminuer par trois ou quatre notre propre consommation énergétique afin de permettre un approvisionnement durable.