Énergie éolienne : pourquoi ça marche ?

1. Énergie éolienne : pourquoi ça marche ? Sandrine Aubrun-Sanches Maître de conférences Institut PRISME / Polytech’Orleans Institut PRISME / Polytech’Orléans 8, rue Léonard de Vinci 45072 Orléans cedex Sandrine.aubrun@univ-orleans.fr Tel : 02.38.49.43.94

2. Les énergies renouvelables • Directives européennes de 2001 pour la promotion des énergies renouvelables: • 5,75% de biocarburants en 2010 • Eléctricité propre, de 14% en 1997 à 21% en 2010 • 50% de la production de chaleur d’origine renouvelable en 2015

3. Les énergies renouvelables Nécessité économique et écologique…

4. Capacité installée dans le monde

5. L’énergie éolienne dans le monde

6. L’énergie éolienne en Europe 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

7. L’énergie éolienne en Europe

8. L’énergie éolienne offshore en Europe

9. L’énergie éolienne en France Mars 2009 Prévisions : 25000 MW en 2020

10. Les challenges de l’éolien • Installations off-shore • Ferme d’éoliennes • Taille des éoliennes

11. Les composants Énergie cinétique  énergie mécanique  énergie électrique Vitesse de rotation  10 à 50 tr/min moyeu pales nacelle • 5) l’arbre lent • 6) Le multiplicateur • 7) Le frein • 8) l’arbre rapide • 9) Génératrice • 10) Système de refroidissement • 11) Anémomètres et girouettes tour

12. 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

13. 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

14. Les vents globaux

15. 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

16. 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

18. La rose des vents

19. Variations météorologiques • Variations journalières (cycle diurne) • Variations saisonnières • Variations annuelles

20. Geostrophic wind 600 ... 1000 m Boundary layer Increasing complexity of the wind flow Mixed layer 100m Surface layer 50m Urban roughness La couche limite atmosphérique

21. Les types de terrain Terrain peu rugueux Terrain modérément rugueux Terrain rugueux Terrain très rugueux

22. Les types de terrain Cas extrêmes

23. 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 z0, longueur de rugosité

24. Exemple de profil (modérément rugueux à rugueux)

25. Exemple de profil (modérément rugueux à rugueux)

26. La turbulence

27. très rugueux rugueux modérément rugueux peu rugueux La turbulence Intensité de turbulence

28. 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)

29. 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

30. Le fonctionnement La puissance du vent

31. Le fonctionnement Extraction d’énergie cinétique de l’écoulement • distorsion des lignes de courant • Puissance extraite • f(V1-V2) (loi de Betz)

32. La loi de Betz (1919) P/Pvent

33. Puissance extraite Coefficient de puissance = Puissance extraite/ Puissance du vent Cp Exemple de l’éolienne Neg Micon NM52/900

34. Aérodynamique de pales V

35. Aérodynamique de pales V Bernoulli : le long d’une ligne de courant, si la vitesse augmente, la pression diminue

36. Aérodynamique de pales portance Forte dépression V Faible dépression Bernoulli : le long d’une ligne de courant, si la vitesse augmente, la pression diminue

37. La portance Cz décrochage

38. wR w W a V V Aérodynamique des palesen rotation

39. Aérodynamique des palesen rotation b b a a wR W portance V traînée

40. Aérodynamique des palesen rotation b b a a wR W portance couple V Traînée globale traînée • = a (R) • en pied de pale, a grand • En bout de pale, a petit

41. b a wR W V Aérodynamique des palesen rotation • = a (R) • en bout de pale, petit a • en pied de pale, grand a • risque de décrochage • pale vrillée

42. a < 10° sur la partie de la pale qui fournit l’essentiel du couple Aérodynamique des palesen rotation Répartitions de couple et d’incidence le long de la pale Obtenues avec le code de calcul EOLE Calage : 8° ; Vitesse : 14 m.s-1

43. Aérodynamique des pales La corde des pales n’est pas constante

44. 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, a augmente • décrochage local • perte de portance

45. Sillage d’une éolienne Impact sur les éoliennes situées en aval

46. Interaction

47. D’autres concepts:Eoliennes à axe vertical Rotor de Darrieus Rotor de Savonius

48. 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

49. couple w traînée couple V 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

50. Résistance des pales