L'énergie éolienne, utile aujourd'hui, nécessaire demain (étude de marché, étude de cas concret et développement)

Jonathan Ferrari

Sujets

• Ingénierie
• Ressources et consommation énergétiques mondiales
• Énergie propre
• Rotor de Savonius
• Énergie
• Éolienne
• Électricité verte
• Electrical engineering
• Savonius wind turbine

Informations

• Publié par: FerJo
• Publié le: 09 septembre 2016
• Nombre de lectures: 64
• Licence : Tous droits réservés
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 1 Mo

Extrait

L’ÉNERGIE ÉOLIENNE, UTILEAUJOURD’HUI  NÉCESSAIREDEMAIN Etude de marché, étude de cas concret et développement Fribourg, le 20 mai 2014 Auteur Jonathan Ferrari,dipl. ES / Prof. Bachelor en ingénierie électrique

Tous droits réservés

L’énergie éolienne, utile aujourd’hui, nécessaire demain SOMMAIRE 1 INTRODUCTION.....................................................................................................................4 2 ETUDEDE MARCHÉ.............................................................................................................. 5 2.1 Leséoliennes dans le monde .........................................................................................5 2.2 Leséoliennes en Suisse................................................................................................. 6 2.3 Etudedu site..................................................................................................................7 2.3.1 Laqualité du vent ...................................................................................................7 2.3.2 Lanature et la forme du sol.....................................................................................9 2.3.3 Accessibilité........................................................................................................... 9 2.3.4 Connexionau réseau électrique...............................................................................9 2.3.5 Impactssur l’environnement................................................................................... 9 2.4 Etudedes éoliennes .....................................................................................................10 2.4.1 Typesd’hélices..................................................................................................... 11 2.4.2 Eolienneà pales....................................................................................................12 2.4.3 Eolienneà hélices de type Darrieus .......................................................................13 2.4.4 Eolienneà hélices de type Savonius...................................................................... 14 2.4.5 Electroniquede puissance ....................................................................................15 2.5 Aspectsjuridiques........................................................................................................ 16 2.6 Demandesd’autorisations ............................................................................................ 16 3 ETUDEDE CAS CONCRET................................................................................................... 17 3.1 Présentationde la situation...........................................................................................17 3.2 Descriptiondes techniques ..........................................................................................18 3.3 Planningintentionnel des travaux..................................................................................25 3.4 Devisinstallations électriques.......................................................................................26 3.5 Deviséoliennes............................................................................................................ 28 3.6 Rentabilité....................................................................................................................29

20 mai 2014 | Page 2 de 48

L’énergie éolienne, utile aujourd’hui, nécessaire demain 4 DEVELOPPEMENT............................................................................................................... 31 4.1 Préambule................................................................................................................... 31 4.2 Objectifs...................................................................................................................... 31 4.3 Constantede base .......................................................................................................31 4.4 Choixdu type d’éolienne ..............................................................................................32 4.5 Dimensionnements...................................................................................................... 33 4.5.1 Dimensionsdes hélices ........................................................................................33 4.5.2 Coupledes hélices................................................................................................35 4.5.3 Lagénératrice optimale.........................................................................................36 4.5.4 Lagénératrice adéquate........................................................................................ 39 5 CONCLUSION......................................................................................................................41 6 ANNEXES............................................................................................................................ 43 6.1 Larétribution à prix coûtant du courant injecté (RPC)....................................................43 6.2 Donnéestechniques, éoliennes ....................................................................................44 6.3 Fichetechnique moteur................................................................................................ 45 7 RÉFÉRENCES...................................................................................................................... 46

20 mai 2014 | Page 3 de 48

L’énergie éolienne, utile aujourd’hui, nécessaire demain 1INTRODUCTION L’objectif de ce projet est, dans un premier temps, d’étudier le marché tel que nous le connaissons aujourd’hui. Ensuite, dans la cadre d’un projet d’optimisation énergétique pour un bâtiment agricole existant, une étude sur l’implantation de trois éoliennes sera présentée. A cet effet, nous nous pencherons sur les adaptations à amener au local courant fort, afin de le mettre en conformité avec les nouvelles installations et les normes en vigueur. Pour terminer, une vision à long terme sera proposée, de sorte à nous préparer à l’inévitable; assurer notre production par le seul biais des énergies renouvelables. C’est donc dans ce chapitre que les aspects purement techniques et liés au fonctionnement même des éoliennes seront abordés.

Dans une ère conditionnée par le besoin constant d’énergie, il est fréquent de s’interroger au sujet des différentes manières d’en produire et d’en économiser. Effectivement, force est de constater que nos ressources sont limitées et, ainsi, nous ne pouvons nous en remettre qu’aux énergies dites « vertes ».

Bien entendu, les techniciens du bâtiment représentent une précieuse aide pour tout investisseur désirant développer ce marché ou, tout simplement, en faire usage pour son domicile ou dans toutes autres constructions.

Selon les statistiques 2011 éditées par l’OFEN (Office Fédéral de l’Énergie), la production d’énergie en suisse, issue des énergies renouvelables, représente 2,65% de la production totale et est répartie de la manière suivante [1]: Energie Biomasse; éolienne; 0.12% 0.40% Energie solaire; 0.25% Biogaz Part d'épuration; renouvelable 0.21% des déchets; 1.68% Figure 1 - répartition énergie verte Nous remarquons donc que, malgré son potentiel, l’énergie éolienne n’est que très peu exploitée. Il s’agit d’une source inépuisable. De plus, elle est le symbole d’une énergie non-polluante, ainsi que du dynamisme dont a besoin notre société. C’est pourquoi, mon travail de diplôme se focalisera essentiellement sur cette technique.

20 mai 2014 | Page 4 de 48

2ETUDE DE MARCHÉ

L’énergie éolienne, utile aujourd’hui, nécessaire demain

2.1Les éoliennes dans le monde Sensibilisé par l’écologie, à la recherche de solutions moins dangereuses, admettant l’évidence que nos ressources s’épuisent ou pour toutes autres raisons, le monde est à l’affut des énergies renouvelables, ce qui entraine une évolution remarquable dans le domaine éolien. Le graphique suivant nous le montre [2] : 300'000 250'000 200'000 150'000 100'000 50'000 0

Figure 2 - progression dans le monde

Au niveau mondial, la Chine maintien la première place avec 63 GW de puissance installée, suivie par le Luxembourg 27 GW. En 2012, les pays de l’Union Européenne ont franchi la barre des 100 GW de puissance installée. Ceci représente l’équivalent de 39 réacteurs nucléaires. Dans ce contexte, les pays Leaders sont, au premier rang, l’Allemagne avec plus de 30 GW couvrant 9,2% de sa consommation d’électricité, au second rang, l’Espagne avec 22 GW représentant ainsi 18% de sa consommation d’électricité et au troisième rang, l’Italie et la France avec 7 MW. En revanche, des pays comme la Slovaquie, la Lettonie et le Luxembourg ont encore du chemin à parcourir [3,4].

20 mai 2014 | Page 5 de 48

2.2Les éoliennes en Suisse

L’énergie éolienne, utile aujourd’hui, nécessaire demain

Tout comme dans le reste du monde, en Suisse, le marché des éoliennes est en constante évolution. Effectivement, le gouvernement a exprimé le souhait de donner une forte impulsion à la production d’énergie verte. Ainsi, la progression des éoliennes en Suisse est démontrée par le graphique suivant: 60 50 40 30 20 10 0 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 Figure 3 - progression en Suisse On compte actuellement une puissance installée totale de 49,42 MW pour une production annuelle de 85 GWh. Cette puissance dérive en grande partie de sites éoliens supérieurs à 100 kW. Ces derniers sont répertoriés comme suit:

Sites Mont-Crosin, BE Le Peuchapatte, JU Saint-Brais, JU Gütsch-Andermatt, UR Charrat, VS Griespass-Nufenen, VS Vernayaz-Martigny VS Collonges VS Entlebuch LU Grenchenberg SO Total

Puissance intallée [MW] 23,6 6,9 4 3,3 3 2,3 2 2 1,85 0,15 49,1

Mise en service 1996, 1998, 2001, 2004, 2010 2010 2009 2002, 2004, 2010, 2012 2012 2011 2008 2005 2005, 2011 1994 1994 - 2012 Figure 4 - sites éoliens en Suisse

Ce n’est que ces dernières années (2010-2012) que la production en énergie éolienne a pris son envol. C’est pourquoi, nous pouvons espérer atteindre des résultats bien meilleurs. Il ne s’agit pas de tirer des conclusions hâtives, cependant certains spécialistes considèrent la possibilité que, d’ici 2035, les éoliennes constituent le 10 % de l’énergie verte produite en Suisse [5, 6, 7].

20 mai 2014 | Page 6 de 48

L’énergie éolienne, utile aujourd’hui, nécessaire demain 2.3Etude du site Lorsque l’on recherche le site idéal afin d’y construire un parc éolien, les principaux facteurs à analyser sont les suivants: la qualité du vent, la nature et la forme du sol, l’accessibilité, la facilité de connexion au réseau électrique et les impacts environnementaux autour du site en question.

2.3.1La qualité du vent

Dans le but de déterminer la qualité du vent, le site doit être soumis à une étude anémométrique. Celle-ci consiste à enregistrer les différentes vitesses et durées du vent, sur une période d’une année. Au cours de cette étude, la hauteur des hélices de l’éolienne par rapport au sol doit être prise en compte. La vitesse du vent joue un rôle prédominant sur la puissance que l’on espère produire. Effectivement la puissance fournie par une éolienne augmente avec le cube de la vitesse du vent. Prenons pour exemple un site dont le vent atteint une vitesse de 20 km/h. Ce dernier sera 8 fois 3 moins productif qu’un site balayé par un vent de 40 km/h (2). Ceci s’exprime par la loi de la puissance cinétique du vent [8]:    =  é   Supposons qu’une éolienne produise 2 MW lorsque le vent souffle à 20 km/h. Le graphique suivant permet d’observer la progression de la puissance fournie en fonction de la vitesse du vent. 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 0 914 19 24 29 34 39 Vitesse du vent [km/h] Figure 5progression de la puissance fournie en fonction du la vitesse du vent Dans le cas où des obstacles seraient repérés, il est nécessaire de surélever l’éolienne, généralement 10 fois la hauteur de celui-ci. De cette manière, les zones de turbulences seront évitées. Nous réduisons ainsi la rugosité.

20 mai 2014 | Page 7 de 48

L’énergie éolienne, utile aujourd’hui, nécessaire demain Naturellement, la vitesse du vent varie en fonction de la situation géographique. La figure ci- dessous nous permet d’observer les vitesses moyennes des vents qui ont parcouru la Suisse en 2011.

Figure 6 - vitesse des vents, selon météotest 2011 [9] Des mesures ont démontré que les vents extrêmes sont rares. Il est plutôt fréquent d’enregistrer des vents faibles. La variation de la vitesse du vent est un paramètre qui doit être étudié dans la recherche d’un site adéquat. Ainsi, en se servant du graphique de « Weibull», il est possible d’établir des statistiques en fonction des vitesses de vent relevées durant une année. En voici un exemple [10,11]:

Vitesse du vent [m/s]

Figure 7 - graphique Weibull, wind-data [12]

20 mai 2014 | Page 8 de 48

2.3.2La nature et la forme du sol

L’énergie éolienne, utile aujourd’hui, nécessaire demain

Dans la recherche d’un site propice à accueillir des éoliennes, le sol doit, lui aussi, faire l’objet d’une étude.

Premièrement, la résistance du sol doit être examinée, afin de définir s’il peut supporter les fondations de l’éolienne ou si des pieux doivent être prévus.

Ensuite, étant donné que le vent suit la pente du sol, la forme de celui-ci peut influencer le rendement de l’éolienne. Effectivement, un terrain composé des pentes raides, sera balayé par un vent turbulent. Ce dernier, provenant de différentes directions, sera difficilement capté par les hélices de l’éolienne. Ainsi, la production n’est pas assurée. Au contraire, une terre composée de pentes douces, permet au vent d’atteindre des vitesses plus élevées. Il s’agit de « l’effet de colline »[13]. rbulences itesse max. Figure 8 - effet de colline

2.3.3Accessibilité

Afin de faciliter la maintenance, il est impératif que le site choisi permette le transport de gros éléments, ainsi que la mise en place de grues. Plus l’accès est aisé, plus la puissance installée pourra être importante.

2.3.4Connexion au réseau électrique

Afin de limiter les frais de raccordement, les sites les plus propices se trouvent à proximité d’un poste haute tension. Entre autre, il est nécessaire de se renseigner auprès du distributeur afin d’être certain que le réseau soit en mesure de supporter l’énergie produite par les éoliennes.

Il est aussi impératif que l’énergie produite puisse être quantifiée par le biais d’un compteur d’énergie.

De plus, le courant réinjecté doit être synchronisé au réseau du distributeur d’énergie.

2.3.5Impacts sur l’environnement

Dans un premier temps, les éoliennes ont un impact important sur le paysage. Malgré qu’il s’agisse d’une affaire de goût, cela a donné lieu à de nombreux débats animés. Toutefois, aucune loi ne stipule qu’une éolienne est néfaste pour la vue et il est impossible de trancher à ce sujet. Dans le

20 mai 2014 | Page 9 de 48

L’énergie éolienne, utile aujourd’hui, nécessaire demain but de limiter leur influence sur l’esthétique d’un paysage, il est conseillé d’installer de grosses éoliennes plutôt qu’une quantité importante de petites éoliennes. Entre autre, il ne sera pas permis d’en installer dans un périmètre de 500 m. autour des monuments historiques, dans des zones de protection du patrimoine, sur des sites inscrits au patrimoine de l’UNESCO ou sur des sites archéologiques. De plus, des études démontrent que les gens considèrent les éoliennes comme une source d’énergie propre qui dépasse l’impact visuel [8, 14,15].

Ensuite, le bruit est l’un des autres arguments utilisés par les associations anti-éoliennes. Effectivement, les turbines émettent des sifflements et des grincements gênants. Ces derniers sont surtout perceptibles lorsque le vent est faible et ne couvre pas les émissions sonores. Le bruit est généralement de 55 dB au pied d’une l’éolienne de grande taille et s’atténue selon le graphique ci- dessous : 150m200m300m 55dB50dB 45dB 40dB Figure 9 - atténuation du bruit Afin de permettre au bruit de se dissiper, une distance de minimum 300 m. doit être respectée entre l’éolienne et l’habitation [16]. Toutefois, sur des sites existants, il a été relevé que seul une distance de 1000 m. permet la dissipation complète du bruit et, ainsi, ne cause plus aucun désagrément au voisinage.

Les éoliennes peuvent aussi avoir un effet regrettable sur l’écosystème. En effet, les oiseaux et les chauves-souris présentent un risque de collision avec les pâles. C’est pourquoi, des études préliminaires sont menées et les sites qui se trouveraient sur un couloir migratoire ou dans une zone de nidification sont écartés d’office. Il faut, malgré cela, souligner que le taux de mortalité lié aux éoliennes est négligeable, il s’agit de 0,4 à 1,3 oiseaux par éolienne et par an, contre 80 à 120 oiseaux par kilomètre de lignes électriques haute tension installées [17,18 ].

2.4Etude des éoliennes Différents types d’éoliennes sont à notre disposition. Toutefois, chacun d’entre eux possède des caractéristiques qui lui sont propres, entraînant des avantages et inconvénients dont il faut tenir compte. Ainsi, il est impératif de sélectionner le type d’éolienne qui correspond à notre situation géographique et qui répond à tous nos critères de recherche: la taille la puissance visée l’impact visuel

20 mai 2014 | Page 10 de 48

2.4.1Types d’hélices

L’énergie éolienne, utile aujourd’hui, nécessaire demain

Nous pouvons distinguer deux principales familles d’hélices; celles qui possèdent un axe vertical et celles qui en possèdent un horizontal. La différence principale à souligner est la suivante: les éoliennes conçues avec un axe vertical ne nécessitent pas de système de mise au vent, dans la mesure où elles sont capables de le capter, bien que celui-ci provienne de n’importe quel sens et direction. Au contraire, afin de capter un maximum de vent, les éoliennes conçues avec un axe horizontal doivent tourner en fonction de la provenance du vent. Chaque type d’hélice capte le vent de manière différente. En ce sens, le rendement d’une éolienne en fonction de la vitesse du vent, varie selon les modèles. Nous pouvons l’observer ci-dessous: Figure 10 - rendement des hélices [19]

Parm es oennes pr sentes sur ce grapque, seue ce esa esappe esauss paes et celles de type Darrieus et Savonius sont utilisées dans le but de générer de l’énergie électrique.

20 mai 2014 | Page 11 de 48