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La réalisation
de toute installation, qu'il s'agisse d'une centrale éolienne ou
d'une petite éolienne de camping, doit tenir compte de la ressource
en vent. Pour cela il est indispensable, soit d'effectuer des mesures au
préalable, soit de rechercher des données sur un site proche
ou équivalent. Cet aspect est d'autant plus important en Franche-Comté
que la ressource en vent est très faible et les sites adaptés
peu nombreux. Pour la plupart des sites équipés, une année
de mesure a été réalisée afin de bien dimensionner
l'éolienne.
En rentrant dans des considérations plus techniques, la puissance d'une éolienne est proportionnelle à la surface balayée par les pales et au cube de la vitesse. La masse volumique de l'air intervient également dans le calcul. Par la suite, le rendement aérodynamique dépend essentiellement de la vitesse périphérique de rotation des pales ramenée à la vitesse du vent et est toujours inférieur à la limite de Betz (16/27). Ce rendement est par contre amélioré par les caractéristiques aérodynamiques des pales, qui sont meilleures pour des vents faibles et des dimensions de pales élevées. Les éoliennes les plus répandues sont les hélices de type rapide (bi- ou tripale) à axe horizontal ou vertical (Darrieus) couplées à une nacelle comportant la démultiplication et la génératrice. Ce système d'un poids élevé doit être orienté face au vent ou sous le vent. Ces éoliennes sont plus faciles à optimiser que les autres types d'éoliennes (Savonius, multipales...) et correspondent mieux aux besoins actuels de production d'électricité. La régulation de la vitesse de rotation de la machine s'effectue par un réglage du calage des pales : système mécanique centrifuge ou à servomoteur.
Parmi ces éoliennes deux
configurations sont possibles
l'éolienne arrière
Ne nécessite pas de gouvernail apparent et qui prend le vent de face. C'est un système de girouette qui détermine la direction du vent puis commande l'orientation de la nacelle donc de l'hélice face au vent. Elle est utilisée pour des puissances supérieures à 15 kW. L'autre configuration est l'éolienne à hélice avant, qui nécessite un système d'orientation.
La génératrice entraînée par le rotor peut être de plusieurs types suivant la puissance recherchée et le type de couplage. Pour des raisons de facilité de transport, de transformation et de rendement, l'électricité est utilisée en courant alternatif. Seules des installations de petites puissances (< 1 kW) peuvent nécessiter l'utilisation d'une génératrice à courant continu. Pour un couplage au réseau, on peut utiliser un alternateur (génératrice synchrone) ou une génératrice asynchrone.
L'alternateur est caractérisé par son nombre de pôles, qui détermine sa vitesse de rotation pour obtenir la fréquence du réseau. La régulation de la vitesse du rotor pour obtenir la vitesse de synchronisme est obtenue par le réglage des pales. L'alternateur nécessite un courant d'excitation (courant continu) produit par une dynamo ou un redresseur à diodes. Certains rotors constitués d'un aimant permanent ne nécessitent pas d'excitation. L'alternateur peut donc fonctionner seul sur un petit réseau autonome ou être couplé au réseau.
Dans le cas de la génératrice asynchrone, la vitesse de rotation du générateur est fixée par la fréquence du courant du réseau. Après le démarrage, lorsque le rotor tourne à une vitesse suffisante (vitesse de synchronisme), la génératrice est excitée et produit de l'électricité sur le réseau. Si la vitesse du rotor est inférieure à la vitesse de synchronisme, la génératrice est découplée du réseau, sinon elle deviendrait alors consommatrice d'électricité à la manière d'un moteur. Si cette vitesse est supérieure, la machine fournit alors du courant au réseau, Si la vitesse de rotation augmente trop, l'orientation des pales est modifiée et ramène le rotor vers la vitesse de synchronisme. Contrairement à l'alternateur, la génératrice asynchrone ne peut pas produire d'énergie de manière autonome. Elle doit obligatoirement être couplée au réseau (ou à un alternateur suffisamment puissant) qui impose sa fréquence et l'alimente en courant alternatif. La génératrice asynchrone, à l'inverse de l'alternateur, ne produit pas la puissance réactive qu'il consomme (qui implique des pénalités de tarif), ce qui nécessite l'adjonction de condensateurs. Pour des installations de grande taille, il est donc préférable de choisir un alternateur pour éviter cet investissement supplémentaire.
Très en recul par rapport à ses voisins, la France commence seulement à vouloir rattraper son retard. En Angleterre ou en Allemagne, le vent fournit déjà près de 10% des besoins électriques. La plus grosse centrale européenne se trouve en Navarre (Espagne) et produit 36 mégawatts. L'énergie éolienne produite actuellement en France représente moins de 0,01% de la consommation nationale d'électricité (soit 98 millions de tonnes équivalent pétrole) contre 73% pour le nucléaire, 16% pour l'hydroélectricitè et 11% pour les centrales thermiques classiques. Les principaux sites se trouvent à Port-la-Nouvelle (11) et à Dunkerque (50). L'une produit 2,2 mégawatts et l'autre 2,7.
Malgré ce retard dans le développement de l'énergie éolienne, la France possède le deuxième gisement européen après la Grande-Bretagne. La carte de France ci-dessus nous montre que les sites les plus favorables sont au bord de la Méditérranée là où soufflent le mistral et la tramontane, ainsi que sur les côtes bretonnes et le long de la Manche. Pour commencer à rattraper ce retard, un appel d'offres national Eole 2005 a été lancé par EDF avec la coopération de l'ADEME, le Secrétariat d'Etat à l'industrie et les ministères de l'Environnement et de la Recherche, pour la réalisation de centrales éoliennes. Pour l'instant, une quinzaine de projets a été retenue principalement dans le sud de la France. La première tranche du projet prévoit ainsi une puissance installée de 77 MW. Cette tranche comprend également des réalisations en Guadeloupe. Le programme concerne des projets dont la puissance installée sur le site (qui peut comprendre plusieurs éoliennes) varie de 1,5 à 8 mégawatts. EDF s'engage ensuite à racheter l'électricité produite puis de la distribuer au titre de la concession. Cette première vague de projets a permis de mettre en lumière les aspects à affronter et à traiter: évolution des Plans d'Occupation des Sols, obtention des permis de construire, ...
La centrale éolienne du
Mont-Crosin:
Mise en service en 1997 sur les hauteurs du Jura bernois, cette centrale constituera sans doute une référence pour le développement de l'énergie éolienne dans nos contrées si faiblement ventées. L'intérêt de ce projet réside autant dans les choix techniques, que dans le contexte politique et économique dans lequel il s'inscrit : de taille équivalente à celles installées dans des régions côtières plus tourmentées, cette centrale trouve sa raison d'être à travers la prise en compte globale de l'intérêt des énergies renouvelables, par des conditions de vente d'électricité cohérentes et responsables.
La construction de cette centrale reliée au réseau de distribution d'électricité répond à plusieurs objectifs : la fourniture d'élec-tricité d'origine éolienne, à un prix permettant de couvrir les frais d'investissement et d'exploitation, pour des clients prêts à payer un prix de l'électricité plus élevé. Les responsables (BKW FMB Energie AG) envisagent même d'agrandir la centrale si la demande en électricité est suffisante. Cette première réalisation suisse produit 1,8 millions de kilowattheures par an, à partir de trois éoliennes de puissance maximale de 600 kilowatts chacune. La société Juvent qui exploite le site, entend ainsi acquérir de l'expérience dans les domaines techniques, économiques et écologiques sous les conditions climatiques jurassiennes. L'électricité produite correspond aux besoins annuels de 600 ménages. A quelques kilomètres de cette centrale, il est également possible de se rendre par un petit sentier éducatif à la centrale solaire du Mont-Soleil, qui fait également figure de référence pour la production d'électricité par panneaux photovoltaïques (500 kW reliés au réseau pour une production annuelle de 600 000 kilowattheures).
Les caractéristiques de ces éoliennes sont à la mesure de la puissance électrique qu'elles délivrent:100 mètres3 de fondations en béton, une nacelle et un rotor de 20 et 8 tonnes perchés sur un mat de 42 mètres pour un poids total de 60 tonnes. Le rotor tripale de 44 mètres de diamètre tourne à vitesse constante (28 tours/minute) et entraîne la génératrice par l'intermédiaire d'un multiplicateur. Le rendement de l'installation est estimé à 35% et son domaine de fonctionnement varie pour des vents de 4 à 25 mètres par seconde. Ce matériel d'origine danoise (Vestas) qui profite des derniers perfectionnements techniques, représente un investissement de l'ordre de 16 millions de francs français.
Contact et visite Mont-Crosin : Juvent SA, c/o BKW FMB Energie AG, CH-3000 Bem 25
La plus grande des petites éoliennes
de Franche-Comté:
Des pales de rotor qui tournent au fil du vent dans un paysage de pâtures et de forêts d'épicéas n'est pas encore très... courant (!) en pays comtois. Cela devient d'autant plus rare quand il ne s'agit pas d'une éolienne de pompage, utilisée pour abreuver nos populations à cornes, mais d'une machine capable de fournir de l'électricité. Un passionné d'éoliennes a ainsi conçu une petite installation à partir de matériel d'occasion, pour produire l'eau chaude sanitaire et le chauffage de son habitation. Cette machine d'une puissance de 10 kilowatts fonctionne pour des vents variant de 4 à 10 mètres par seconde. Le rotr tripale de 7,4 mètres de diamètre (280 kg) est couplé à un alternateur. La régulation de l'orientation des pales (angle variant de 5 à 20 degrés) est possible grâce à un système de glissière en pas de vis contrôlé par un ressort de rappel. Cette régulation est nécessaire pour obtenir la vitesse de synchronisme de l'alternateur (1 500 tr/min) en fonction de la vitesse du vent. La nacelle (500 kg) est montée à 15 mètres de haut (remarque: un permis de construire est nécessaire pour une construction de plus de 12 mètres). La production d'électricité est par contre très irrégulière: de 13 à 550 kilowattheures par mois pour une production annuelle de 1 530 kilowattheures (en 1997).
L'électricité produite par l'alternateur sous 380 volts est ensuite dirigée soit vers un des ballons d'eau chaude sanitaire, soit vers les convecteurs électriques. L'appoint d'eau chaude sanitaire est réalisé par un chauffe-eau solaire autoconstruit, qui permet de compléter la production éolienne et de fournir ainsi plus de 95 % de la consommation annuelle. L'appoint de chauffage est réalisé par une cuisinière aux bûches qui ne consomme pas plus de 5 stères par an. La complèmentarité de l'éolien, du solaire (et du bois) fait ici ses preuves et démontre que des possibilités d'installations éoliennes existent dans notre région.
Une démarche originale
La présence du vent et du soleil n'étant pas permanente, il était indispensable d'envisager un stockage d'électricité sous forme de batteries. Pour limiter le coût des batteries, l'autonomie choisie a été d'une à deux journées (remarque: dans nos régions elle serait plutôt d'une semaine). Comme l'éolienne devait assurer la majeure partie de la production d'électricité, il était nécessaire de disposer de la production la plus continue possible. Le deuxième choix important a consisté à implanter une éolienne à vent faible. A l'accoutumée les éoliennes sont conçues pour capter des vents importants, mais elles démarrent également pour des vents de moindre force. Cette démarche est intéressante pour des couplages au réseau, mais ne rentre pas dans une logique d'électrification autonome, où l'on ne peut pas stocker ou utiliser l'énergie captée avec des vents forts.
C'est d'après ces principes que Patrick Lebouil d'Angers (49) a réalisé l'éolienne de Machecoul. Elle est placée à proximité de l'habitation à 12 mètres de hauteur. Le rotor (4,8 mètres de diamètre avec trois pales) a été réalisé en frêne lamellé-collé et le système de régulation des pales est de type mécanique à inertie. La vitesse du vent pour le démarrage du roter se situe vers 2 mètres par seconde, avec une pleine production vers 5 mètres par seconde où l'éolienne dispose d'une puissance de 300 watts. La nacelle comporte la génératrice entraînée par le rotor qui débite du courant continu sous 24 volts. L'orientation de la nacelle est réalisée par une régulation à partir d'une mesure de vent par deux hélices auxiliaires placées à l'arrière de la nacelle.
L'installation photovoltaïque est composée de 5,7 mètres carrés de panneaux en silicium mono-cristallin placés à 60 degrés par rapport à l'horizontale sur une toiture. Les batteries stationnaires au plomb peuvent stocker puis débiter jusqu'à 350 ampères-heure sous 24 volts. Le bilan de fonctionnement de cette installation établit un taux de couverture des besoins en électricité de 76 % par l'aérogénérateur et de 20 % par les capteurs photovoltaïques. Un groupe électrogène permet de subvenir aux besoins ponctuels (travaux...) soit 4 % de l'énergie consommée. Les capacités de production journalière sont de 3,83 kWh par jour pour l'éolienne, de 1,02 kWh par jour pour les panneaux solaires. La production utilisée par la batterie est de 4,64 kWhljour et la consommation réelle est de 3,63 kWh/jour qui correspond à 1 326 kWh consommés annuellement. Ces différences sont dues en partie au rendement de stockage et de régulation mais surtout au fait que l'énergie peut être consommée directement sans transiter par les batteries. Les capacités de production des énergies renouvelables sont légèrement supérieures aux besoins. En cas de surproduction l'aérogénérateur et les panneaux sont mis hors-circuit.
Le coût de l'installation a été de 30 000 francs pour l'aérogénérateur autoconstruit, de 19'000 francs pour les panneaux solaires et de 38'000 francs pour l'ensemble batteries - groupe électrogène - chargeur -onduleur- régulation soit un total de 87'000 francs. Le coût du raccordement au réseau électrique aurait coûté 95'000 francs avec un coût de l'électricité bien supérieur.
L'étude des petits systèmes hybrides éolien & solaire pourrait déboucher sur une version franc-comtoise de ce type d'installation en utilisant l'énergie éolienne en relais de panneaux solaires pendant les périodes hivernales. La complémentarité vent & soleil pourrait profiter aux possesseurs d'installations photovoltaïques en sites isolés qui amélioreraient les performances hivernales de leur installation en mauvaise saison, en y ajoutant une éolienne à faible vent.