CNAM des Pays de la Loire

1. CNAM des Pays de la Loire MODULE COMMUNICATION ET INFORMATION SCIENTIFIQUE ETR 101 « Eolienne cherche vent désespérément …» MODULE COMMUNICATION ET INFORMATION SCIENTIFIQUE ETR 101 LICENCE ELECTROTECHNIQUEOPTION ENERGIES RENOUVELABLES Benoît BESSON & Patrice BOURILLON Référents:Madame Elisabeth DEMAURE Madame Véronique GARNIER - GUY

2. INTRODUCTION. En juillet 2009, Mlle Séverine Alard a demandé un devis auprès de l’installateur Pierre-Jean Tison, dans le but d’implanter une éolienne dans son jardin. Mlle Alard a effectué cette démarche par conviction écologique. Elle espérait aussi une petite rente annuelle en revendant le surplus d’énergie produite à son fournisseur d’électricité (Schémas de revente annexe 4). L’installateur a réalisé le devis, puis a implanté l’éolienne pour un prix de 30 596€ (Devis annexe 1 & 2). Le 22 novembre 2009, les pâles de l’éolienne se sont brisées, avant que celle-ci n’ait eu le temps de produire. Nous avons eu la chance d’ avoir accès a ce cas concret qui fut à la base de notre réflexion, nous allons donc chercher à analyser ce qui n’a pas fonctionné dans ce projet. Dans un premier temps nous allons présenter le projet ; ensuite proposer une méthode pour récupérer des données météorologiques et les adapter pour les rendre exploitables, dans le but de réaliser une étude des vents et expliquer pourquoi ce projet n’a pas fonctionné.

3. LE PROJET. • 1.1. Présentation. • 1.2. Expertise de la panne. • 1.3. Recherche de dysfonctionnement.

4. 1 LE PROJET. • 1.1 Présentation. • Nous avons participé à l’expertise d’une éolienne ne produisant plus. Après des vents en rafales à 91 km/h vers 12h le 22 novembre 2009, les pâles de l’éolienne se sont cassées. • Le 10 mai 2011, nous avons donc participé à l’expertise complète de l’éolienne en présence d’un expert, d’avocats, de la propriétaire, d’un représentant de la société Wheoleenergy et de l’installateur à savoir monsieur Pierre-Jean TISON. • Le fournisseur Wheoleenergy n’a autorisé que le remplacement des pâles. Cette opération de maintenance curative n’a rien changé. Le problème était ailleurs, et la production d’énergie n’a pas pu redémarrer.

5. 1.2 Expertise de la panne. Le mât basculant permet d’accéder à la génératrice et aux différents éléments constituant l’éolienne.Après contrôle du positionnement et de l’équilibrage des pâles, l’expert a autorisé le démontage des pâles et des différents carters de la génératrice.

6. Le problème était dû à la casse d’un support de pallier situé sur le système d’orientation de la nacelle. L’éolienne ne pouvait plus se positionner face au vent. Elle ne pouvait donc plus produire d’énergie.

7. De plus, nous avons constaté que l’anémomètre et la girouette étaient rouillés.

8. Nos vérifications se sont poursuivies afin de déterminer si d’autres éléments de l’installation étaient défectueux. Le fait de faire tourner manuellement la génératrice a permis de conclure au bon fonctionnement de l’onduleur (SMA), du contrôleur du système d’orientation, du redresseur (Power One) et du compteur de production d’énergie.

9. 1.3 Recherche de dysfonctionnement. • Nous avons constaté qu’il n’y avait pas de système de protection sur l’éolienne en cas de rafale. Le Système d’orientation de la nacelle n’est pas un système de protection car il réagit bien trop lentement. Cela indique que l’éolienne est mal conçue. • A partir de ce constat deux hypothèses sont possibles : • - Comme la girouette et l’anémomètre étaient rouillés, le système d’orientation n’a pas pu réagir. Le système d’orientation s’est cassé, suite à une rafale de vent qui a engendré une force que les paliers n’ont pas pu supporter. Dès lors, l’éolienne n’était plus maintenue face au vent, les changements de direction des vents et rafales suivantes ont brisées les pâles. • - Il est aussi possible que suite à une forte rafale, le système d’orientation n’a pas réagi cassant une pâle de l’éolienne. A partir de ce moment les pâles furent déséquilibrées, ce qui engendra des vibrations sur le système d’orientation et causa sa destruction.

10. LES DONNEES METEOROLOGIQUES. • 2.1. Principe de la récupération des données météorologiques. • 2.2. Organigramme du programme principal. • 2.3. Organigramme du sous-programme de « traiter les données ». • 2.4. Données brutes récupérées.

11. 2 LES DONNEES METEOROLOGIQUES. • 2.1 Principe de la récupération des données météorologiques. • De nombreux sites météorologiques fournissent des données météorologiques (Météociel, Infoclimat, wheather.com…), mais ces données ne sont pas structurées et il est difficile de les traiter facilement avec un tableur. • Ces stations météorologiques font partie de grand réseaux internationaux comme METAR (réseau d’aéroport) ou SYNOP (premier réseau européen). Ces données météorologiques sont fournies pour une hauteur de 10m. • Nous avons donc décidés de réaliser un petit programme permettant de récupérer ces données. Nous avons choisi de le faire à partir du site Météociel.

13. On remarque que l’URL envoyée ci-dessous est de type: http://www.meteociel.fr/temps-reel/obs_villes.php?code2=7230&jour2=10&mois2=9&annee2=2011&envoyer=OK. Avec comme paramètres : « code2  »: Code correspondant à la ville demandée (Ici Angers). « jour2 » : Correspond au jour demandé. « mois2 »: Correspond au mois demandé (Attention les mois vont de 0 à 11, le mois d’octobre est donc demandé). « annee2 »: Correspond à l’année demandée.

14. 2.2 Organigramme du programme principal.

15. 2.3 Organigramme du sous-programme de « traiter les données ». Ce programme permet de récupérer les données météorologiques horaires de 190 villes réparties sur le territoire français (pour chaque année, chaque mois, chaque jour, et chaque heure).

16. 2.4 Données brutes récupérées. 

17. CORRECTION DU MODELE • 3.1. Interpolation des données des stations météorologiques • 3.2. Influence de l’altitude sur la densité de l’air. • 3.3. Influence de la température sur la densité de l’air. • 3.4. Adaptation de la hauteur des vents mesurés à la hauteur du mat. • 3.5. Données météorologiques pour exploitation.

18. 3 CORRECTION DU MODELE • 3.1 Interpolation des données des stations météorologiques • Il existe une technique qui consiste à interpoler les valeurs des vents des 3 stations les plus proches du site à étudier. Les valeurs de vent interpolées du site Y sont calculées à partir des valeurs des vents moyens des stations météorologiques A, B, C ; la station qui a le poids le plus important est la station la plus proche (dans l’exemple ci-dessous c’est la station A, car la distance AY<BY<CY. Y = A x ((L-AY) / L) + B x ((L-BY) / L) + C x ((L-CY) / L) ((L-AY) / L) + ((L-BY) / L) + ((L-CY) / L) Ex : La Haloperie (A) : ANGERS (AY) --> 22km le 22/11/2009 entre 12h et 13h est 35km/h moy. NANTES (BY) --> 58km le 22/11/2009 entre 12h et 13h est 24km/h moy. LAVAL (CY) --> 62km le 22/11/2009 entre 12h et 13h est 35km/h moy. L = AY + BY +CY= 142 Y = 35 x ((142-22) / 142) + 24 x ((142-58) / 142) + 35 x ((142-62) / 142) (142-22) / (142) + (142-58) / (142) + (142-62) / (142) Le vent moyen estimé le 22/11/2009 entre 12h-13h à la Haloperie est 29.4 Km/h soit 8.16 m/s. Cette interpolation est à faire sur chaque heure de l’année. Plus la station météo est proche du site à étudier plus les données seront précises. Cette technique a surtout un intérêt pour des vents peu perturbés (hauteur > 25m). Dans le cas de cette étude la hauteur du mât est de 12m et les vents de surface sont fortement perturbés par le relief.Cette technique n’a donc pas été utilisée ici. Les données météorologiques utilisées sont celle d’Angers.

19. 3.2 Influence de l’altitude sur la densité de l’air. Pour les sites en altitude il convient d’appliquer un coefficient sur la densité de l’air pour compenser la raréfaction de l’air (1.225kg/m³ à 15°C au niveau de la mer ). L’altitude du site de la Haloperie (75m) étant sensiblement la même que celle de la station météorologique (Beaucouzé 58m), la correction n’a pas été effectuée (Google earth). P (h) = 1013.25 x (1 – 0.0065 x h) 5.252 hPa 288.15 1013.25 Pression au niveau de la mer (hPa) 288.15°K T° au niveau de la mer (15°C) 0.65°K pour 100m gradient vertical de température.

20. 3.3 Influence de la température sur la densité de l’air. • Plus la température est élevée plus la densité de l’air est faible. Si le coefficient d’altitude est constant pour un site donné, la température peut varier pour chaque donnée horaire.

21. 3.4 Adaptation de la hauteur des vents mesurés à la hauteur du mât. • Il existe une formule qui permet de déduire à partir d’une vitesse connue à une hauteur connue, la vitesse à la hauteur désirée. Cette formule fait intervenir un coefficient de rugosité qui représente la capacité de l’air à s’écouler sur une surface. V (h désirée) = V connue x (h désirée / h connue) rug m/s Coefficient usuel de rugosité : Etant donné que les vents des stations météorologiques sont mesurés à une hauteur proche de celle du mat de l’éolienne, il n’y a pas de raison d’adapter la vitesse des vents.

22. 3.5 Données météorologiques pour exploitation. • Une fois les données brutes réorganisées, on obtient le tableau récapitulatif suivant. Pendant 2521 heures la production est nulle, et pendant 4315 heures l’éolienne produit.

23. ETUDE DES VENTS • 4.1. Caractéristique de l’éolienne. • 4.2. Distribution de l’énergie. • 4.3. Relief du site. • 4.4. Environnement direct. • 4.5. Fréquence des vents. • 4.6. Production annuelle et rentabilité financière. • 4.7. Analyse du jour du crash.

24. 4 ETUDE DES VENTS • 4.1 Caractéristique de l’éolienne. • Sur cette caractéristique on constate qu’en dessous de 2 m/s l’éolienne ne produira pas. De plus on remarque que l’éolienne est très mal régulée, car à partir de 12m/s la puissance devrait stagner à environ 12kW.

25. 4.2 Distribution de l’énergie. A partir de la caractéristique de l’éolienne ci-dessus (puissance en fonction de la vitesse du vent), et du tableau récapitulatif des données météorologiques. On peut déduire la distribution de l’énergie suivante. S= 50.26 m² r = 1.225 kg/m³ P (betz) = (1/2) r S V ³

26. Dans le second exemple ci-dessous, on retrouve les mêmes données sous forme de graphique radar. Ce graphique, une fois superposé sur une vue aérienne Google Earth permet de vérifier si l’éolienne est bien implantée par rapport aux vents dominants.

27. 4.3 Relief du site. A partir d’un navigateur internet et d’un programme développé par Google nommé « Api Google Elevation » il est possible de récupérer le relief d’un site. En faisant varier les coordonnées des points Initiaux et finaux da l’URL ci-dessous. Cette opération à été réitérée 20 fois dans le cas de la Haloperie 20pts x 20 pts soit 400pts au total. Coordonnée du Point initial Coordonnée du Point final Format du fichier de sortie http://maps.googleapis.com/maps/api/elevation/xml?path=47.516958.-0.9336164|47.516958.-0.93223458&samples=20&sensor=false Nombre de points désirés

28. Après récupération et traitement des données sous Excel, on obtient le relief suivant. On constate que l’éolienne est idéalement implantée sur le sommet d’une colline à une altitude d’environ 75m.

29. 4.4 Environnement direct. Quand nous superposons une image satellite issue de Google Earth avec une distribution de l’énergie produite en fonction, on peut s’apercevoir que l’éolienne est bien implantée. (Il n’y a pas d’obstacle proche sur la trajectoire des vents dominants). De plus le premier obstacle est un arbre situé à 150m (soit environ 15 fois la hauteur du mat). 1er Obstacle 150m

30. 4.5 Fréquence des vents. A partir des données sources, il est possible d’établir une distribution de la fréquence en heure des vents moyens. Si un mât de mesure avait été installé sur le site pendant quelques mois, il aurait été possible de déduire la distribution réelle grâce à des coefficients de corrélations. En l’absence de données réelles, cette distribution ne sert à rien.

31. 4.6 Production annuelle et rentabilité financière. • Le coût de l’éolienne facturée est supérieur à 30596 € (Annexe 1 & 2), alors qu’elle en rapportera au maximum 614.47 €/an(Sans compter les frais de maintenance, assurances…). Le temps de retour de l’investissement sera alors de 27 ans. Le principal inconvénient est que l’éolienne ne se trouve pas en ZDE (Zone de Développement Eolien), car elle n’est pas identifiée comme telle sur le site de la DREAL (Directions Régionales de l'Environnement, de l'Aménagement et du Logement ). Le projet ne pourra donc pas bénéficier de l’obligation d’achat a 8.12cts€/ kWh sur 10 ans. Pour vendre son énergie, Mlle Alard, la propriétaire sera donc obligée de vendre son énergie à un opérateur alternatif comme par exemple ENERCOOP à un tarif nettement inférieur. Malgré un crédit d’impôt de 50% sur le matériel, et une TVA à 5.5%, le projet ne pourra donc pas être rentable.

32. 4.7 Analyse du jour du crash. Le jour du crash de l’éolienne, le 22/11/2009, des vents en rafales de 91km/h ont été enregistrés sur Angers (situé à 22km de l’éolienne) vers 12h, or l’éolienne ne peut supporter des vents de plus de 90km/h.

33. 5 CONCLUSION L’entrepreneur n’a pas fourni à Mlle Alard de business plan, elle n’a donc pas pu obtenir d’information concernant la faisabilité technico-économique de son projet. Comme le montre le temps de retour brut sur investissement de l’étude, son projet ne pouvait pas être rentable. De plus, le projet n’a pas été implanté dans une ZDE, Mlle Alard, n’aurai pas pu revendre le surplus d’énergie produite. Et elle ne pouvait pas bénéficier de l’obligation d’achat à 8.12cts€/kWh, pendant les 10 premières années. Ensuite, le fabricant de l’éolienne laisse entendre dans sa documentation technique que son éolienne pourrait produire 19200kWh/an pour un vent moyen annuel de 5m/s. Or il est très rare d’avoir une moyenne de vent annuel à 5m/s en France à 10m de hauteur. Finalement, l’entrepreneur a acheté auprès de son fournisseur d’éolienne Wheole énergie, une éolienne de mauvaise conception. En effet, son éolienne n’est pas équipée de protection contre les rafales.

34. Il est fort probable que cet entrepreneur ne soit pas formé à l’étude et l’implantation de petites éoliennes. Il a probablement vu dans ce type projet, un moyen rapide et facile de générer des profits en surfant sur la vague du green business, sans penser aux conséquences juridiques que les problèmes pouvaient engendrer. Il est toujours difficile d’avoir accès aux informations quand un projet tourne mal, en général les victimes qui ont honte de se faire escroquer et ne communique pas. L’entrepreneur quand a lui ne communique pas pour ne pas détruire sa réputation, et protéger les affaires. En France la législation rend difficile toutes implantations d’ éolienne à plus de 12m de hauteur, l’ énergie récupérée a cette hauteur est faible. Sauf dans des cas très particulier, l’implantation d’une petite éolienne n’est pas rentable.

35. 6 BIBLIOGRAPHIE Sites: www.thewindpower.net www.infoclimat.fr www.meteociel.fr www.weather.com Livre: « Les éoliennes Théorie, conception, et calculs pratiques ».D de Gourière, Edition du moulin Cadiou, 2008. Magazine: «  Energie & développement durable», hors série n°11 – N° spécial petit éolien, 2010.

36. 7 TABLES DES ANNEXES. Annexe1:Devis feuille1/2. Annexe2:Devis feuille 2/2. Annexe3: Documentation technique de l’éolienne Annexe4 : Schémas de revente EDF

37. Annexe1:Devis feuille1/2.

38. Annexe2:Devis feuille 2/2.

39. Annexe3 :Documentation technique de l’éolienne.

40. Annexe4 :Schémas de revente d’énergie.