Cet article est un dossier pour PodcastScience épisode 217, n’hésitez pas à vous y balader sur le site www.podcastscience.fm!

Les bateaux sont sans doute les premiers instruments humains a avoir tiré partie de l’énergie du vent. Pourtant il a falu attendre bien plus tard pour que l’éolien devienne une industrie à proprement parler. Dans ce dossier, nous allons tâcher de comprendre comment fonctionne une éolienne moderne et quels sont les grands moments du développement de cette industrie.

Note préalable : L’objet de ce dossier n’est pas de discuter de la viabilité de l’éolien ni de sa place dans le mix énergétique, seulement de suivre son historique et de comprendre son fonctionnement. Travaillant dans l’éolien, je serais bien mal placé pour me prononcer sur son importance par rapport aux autres énergies.

Les débuts de l’éolien

On peut placer le début de l’éolien aux premiers moulins et pompes à eau américaines (vous savez ces hélices un peu étranges que l’on voit dans les westerns? En fait cela servait à pomper de l’eau).

 

Ces premières machines restaient en tout point différentes des machines d’aujourd’hui. D’abord elles ne crééaient pas de l’électricité (il fallut attendre sa découverte au XIXe siècle…) mais utilisaient directement la force mécanique du mouvement des pales. Ensuite leur conception est largement différente, d’abord le vent arrivait la plupart du temps “par derrière” (comprendre par le coté où il y a une queue), elles avaient un grand nombre de pales et surtout il falait les orienter manuellement.

Ces premières machines, électriques ou non, ont tout de suite connu certaines contraintes de l’éolien encore présentes aujourd’hui. D’une part, l’acceptation du public, par exemple une proposition d’éclairer la ville de Marykirk a été rejetée à la fin du XIXe sciècle car jugée par les habitants comme démoniaque! D’autre part, ces machines devaient devaient être capables de s’éteindre, c’est à dire de ne pas fonctionner pour survivre entre autres au rafales. C’est encore le cas aujourd’hui, toutes les éoliennes sont capables de ne pas fonctionner, ce qui en fait une particularité dans le monde des centrales électriques.

En 1897 la première soufflerie, créée à Askov, permis de faire des test et de commencer à optimiser la conception des éoliennes. Tout cela restait très expérimental et c’est le développement de l’aéronotique, plusieurs dizaines d’années plus tard qui signera le début de l’éolien moderne.

Entrée dans l’ère moderne, diminution du nombre de pales

Après un passage dans la section aéronautique du ministère des invention de l’époque et un travail dans la fabrication d’hélice, Louis Constantin va imaginer des éoliennes largement différentes des conceptions passées. Il teste dès 1923 un bateau propulsé par une hélice bipales.

Cet essai associés à d’autres lui permettent de publier un article dans “La Nature” présentant quelques éléments clés des machines modernes tels que le nombre de pales peu élevé permettant une meilleur production. Il imagina même comment connecter plusieurs éoliennes entre elles au sein d’un parc! Finalement, la première éolienne moderne fut concue par Georges Darrieus en 1927. Elle était constituée de quatre pales de 8m (les pales d’aujourd’hui dépassent les 40m) et n’avait plus rien à voir avec les premiers moulins : La production d’électricité se fait dans une nacelle en haut du mat et système d’orientation automatique avec l’inclinaison des pales.

Rendement théorique de l’éolien

C’est aussi à cette époque qu’est découverte la limite de Betz. Cette modélisation très simple aéronautique permet d’estimer le rendement maximal d’une éolienne dans un monde parfait, sans autres effets (c’est donc une limite inateignable). Le redement est la fraction maximale de l’énergie passant dans l’éolienne qui est théoriquement récupérable, la limite de Betz l’établit autour de 60%. Ce rendement permet d’évaluer l’efficacité des machines construites (les machines les plus efficaces seront les plus proches de ces 60%). A noter cependant que cette modélisation très simple ne prend même pas en compte le nombre de pales!

En revanche il faudra aussi tenir compte d’autres effets pour réellement situer l’efficacité, travail qui ne sera fait que plus tard, car malgré ce début prometteur, le développement de l’éolien a largement été ralenti dans les années 40 du fait du développement et de la disponibilité des énergies fossilles. Les meilleures machines actuelles sont à 70–85% de la lmite de Betz.

La france fait un dernier grand coup

Dans ce ralentissement, la France imprime sa marque grâce au rôle crucial qu’a eu EDF. Le bureau des études scientifiques et techniques (BEST) fait beaucoup de tests dans les souffleries de l’époque. Ils découvrent plusieurs éléments cruciaux qui seront repris plus tard (par inspiration directe ou non). Par exemple ce sont les premiers a orienter la conception vers les pales vrillées, 30 ans avant les américains!

Le fait que la pale est vrillée est une des plus grosse différence entre une pale d’éolienne et une aile d’avion. Pour une aile d’avion, on peut dans une modélisation simple considérer que le vent a toujours la même direction du point de vue de la pale, une force horizontale. L’aile a alors cette fameuse forme bombée qui permet à l’avion de s’envoler.

Quand une éolienne ne tourne pas, la situation est identique, on peut considérer que l’éolienne subit uniquement une force horizontale. En revanche, quand la pale se met à tourner, s’ajoute le “vent” créé par le déplacement de la pale. Si bien que la force subit par la pale n’a plus la même direction et surtout dépend de la vitesse de rotation de la pale. En particulier, le bout de la pale tourant plus vite que sa base, la direction du vent incident sur le bout de la pale n’est pas le même qu’en pied de pale. Pour au mieux capter ce vent, il est donc préférable d’avoir une pale vrillée, afin que la majeure partie de la pale travaille.

Le vrillage des pales a aussi une autre utilité. En effet, il est bien beau de capter l’énergie du vent quand l’éolienne tourne mais encore faut-il qu’elle se mette justement à tourner. Et quand on crée un générateur d’énergie, ce n’est pas pour utiliser de l’énergie pour le démarrer. Le vrillage a aussi cette utilité, en effet, la base de la pale va permettre à l’éolienne de démarrer puis en aquierant de la vitesse, c’est le reste de la pale qui va prendre le relai pour capter de l’énergie. Tout cela grâce à un vrillage bien conçu.

En fait, du moins sur les éoliennes où les pales sont fixes, la base de la pale va “décrocher” quand l’éolienne aura atteint sa vitesse de fonctionnement nominal. Le décrochage est justement ce que cherche à tout prix à éviter l’aéronautique. Quand un avion vole, l’aire glisse le long de l’aile, au dessus et en dessous. Le décrochage correspond à un comportement cahotique de l’air autour de la pale qui va limiter son controle. Dans le cas de l’éollien, ce décrochage du pied de la pale va rendre négligeable l’impact aérodynamique de la base de la pale lors de son fonctionnement nominal.

Les pales d’aujourd’hui ont un fonctionnement un peu plus complexe qui leur permettent d’avoir un vrillage moins important : au lieu d’avoir un fort vrillage entre la base et le bout de la pale, on permet à la pale de “pitcher” c’est à dire de tourner sur son axe pour mettre en face du vent la bonne partie de la pale. Cela sert à démarer l’éolienne et à optimiser le positionnement de la pale lors du fonctionnement. Du même coup, cela facilite l’arrêt de l’éolienne qui dans les pales sans pitch est assuré par un bout de pale mobile servant d’aérofrein.

Pour revenir en arrière ou nous nous étions arrêtés sur notre trame historique, la France arrête finalement la plupart de ses développements éoliens pour des raisons économiques et bien sur, pour finalement investir dans le nucléaire.

L’arrvée du modèle Danois

Suite au choc pétrolier de 1973, les Etats Unis considèrent qu’il est nécessaire de diversifier ses sources d’énergie. C’est alors naturellement qu’ils font appel à un acteur bien connu, spécialiste en aéronautique : la NASA. La NASA fait aussi intervenir Boeing, Lockheed, Westinghouse et General Electric, autant dire qu’on a du beau monde. Plus de 350 millions de dollars seront dépensés et des prototypes (principalement avec le vent venant de derrière avec deux pales, donc bien loin de l’éolienne d’aujourd’hui) plus grand les uns que les autres seront réalisés. Tous les projets ont des problèmes de rotor, pour l’un, MOD0, les américains avaient “oublié” que quand le vent viens “de derrière”, l’effet du mat sur les pales est à prendre en compte… Au final, ces 28 années de recherches n’aboutiront à aucun produit commercial! L’allemagne de son coté fait la même erreur en partant sur la conception de grandes machines.

De leur coté, les danois décident aussi de repartir dans la course de l’éolien en se basant sur ce qui deviendra “le modèle danois” créé quelques années plus tôt. Il commencent par des petites machines en s’attachant avant tout à la robustesse puis montent en volume.

Alors quand dans les années 80, et ce pendant 5 ans, décide de prendre en charge 50% de la fabrication des éoliennes, l’avance des Danois leur permet de remporter la mise et de devenir un leader du secteur. Durant cette période 17000 éoliennes sont installées, 3700 machines sont américaines, la quasi-totalité du reste est danoise! Et ce n’est pas un mauvais choix, parmi ces machines plus aucune américaine ne fonctionne encore.

Avec cette percée inespérée, les Danois ont imposé le concept de l’éolienne actuelle : une éolienne a trois pales avec une génératrice asynchrone. Le choix des trois pales n’est pas nouveau, on a déja vu que les premiers travaux en soufflerie montraient que limiter le nombre de pale permettait d’augmenter la puissance. Pour autant, il y a très peu de différence de puissance entre une éolienne à 2 pales et une éolienne à 3 pales. D’autres éléments sont alors rentrés en compte pour ce choix : avoir 3 pales diminue la vitesse de rotation nominale, cela permet de concevoir des pales plus légères (la force subie est plus faible). D’autre part des études ont montré que la vitesse des éoliennes trois pales sont préférées par les consommateurs.

Un des autres éléments amenés par les Danois c’est l’utilisation d’une génératrice asynchrone. En fait il existe deux grandes familles de génératrice (ou de moteur d’ailleurs, c’est la même chose en sens inverse : la génératrice crée du courant par un mouvement, le moteur crée un mouvement avec un courant). Il existe deux grand types de génératrices, les premières, les génératrices synchrones sont les plus connues, il s’agit d’un aimant qui est mis en rotation par l’éolienne et qui, par induction (on en avait déjà parlé dans un quizz), va créer un courant alternatif dont la tension est proportionnelle à la vitesse de rotation. Le problème de ces génératrices dans le cas éolien est que le courant peut avoir des tensions très variables et est donc difficilement utilisé par le réseau.

L’apport des génératrice asynchrone est justement de palier à ce problème ert de fournir un courant plus régulier. Leur fonctionnement est plus compliqué mais comme le nom asynchrone le suggère, la tension du courant créé n’est plus directement lié à la vitesse de rotation de l’éolienne. Autre élément de ces éoliennes du modèle Danois : le multiplicateur. En effet, afin d’utiliser des génératrices plus standard et coller à la fréquence du réseau, beaucoup d’éoliennes mutliplient la vitesse de rotation des pales avant de générer le courant.

Du fait de leur avantage donc, les danois deviennent leader de l’éolien mondial pendant des années. Aujourd’hui ils sont rattrapés par les allemands mais gardent une bonne place. Pour autant tout pourrait être rapidement remis en jeu, avec l’arrivée des éoliennes sur mer. En france le choix s’étant porté sur le nucléaire, seul reste un constructeur qui construit des éoliennes très particulières, plus petites et bipales, elles sont surtout destinées aux zones peu facilement accessibles et aux zones touchées par des cyclones. Oui, ces éoliennes résistent aux cyclones! Pour cela elle peut se coucher, histoire de laisser passer les vents violents..

Malgré son train de retard dans la fabrication des éoliennes, la France a quand même eu le temps d’envisager des trucs rigolos comme les éoliennes multirotors, c’est à dire avec plusieurs jeux de pales.

 

Vers l’infini et l’eau dela!

Malgré cette industrialisation de l’éolien, ce secteur est toujours en structuration et pourrait encore subir de véritables révolution technologiques. Si les éoliennes construites sont toujours de plus en plus grandes, on atteint une taille limite au niveau de la conception, des matériaux et du transport (transporter des pales de 60m n’est pas une mince affaire… typiquement pratiquement impossible sur terre). Si l’on veut continuer l’augmentation de la puissance produite de ces machines, il faudra un réel changement dans la conception des éoliennes tel qu’il a pu avoir eu lieu dans les années 70 avec les danois.

L’enjeu actuel de l’éolien est de conquérir de nouvelles terres ou plutôt de nouvelles eaux. L’éolien offshore offre une opportunité exceptionnelle : des vents plus stables, plus de place et aucun ou très peu de problème d’acceptation du public. Auojurd’hui l’offshore en est à ses débuts, il est essentiellement constitué d’éoliennes fixées sur le sol, sous l’eau mais quand même fixée au sol. Les seules zones disponibles sont alors proches des côtes alors que le gros de la place disponible est loin des côtes, là ou les fond marins sont très profonds.

Les enjeux futurs sont l’optimisation de la production et de la maintenance. La production éolienne est par essence variable et doit donc être accompagnée d’une autre énergie ou utiliser du stockage pour répondre aux besoins des populations. C’est aussi un de ses atout, les éoliennes pouvant être démarrées et arrêtées, c’est une énergie qui peut servir de régulation. Enfin, comme d’autres énergies renouvelables, la structure de cout d’un parc éolienne est très différente des énergies fossiles traditionnelles : la matière première, le vent, est gratuite mais l’exploitation est coûteuse. Il est donc nécessaire de limiter les coûts en maintenance et d’optimiser celle-ci pour optimiser la production. D’ailleurs à titre informatif, la principale cause d’incident sur les éoliennes ne sont pas les oiseaux mais bien la foudre, les éoliennes sont d’ailleurs toutes équipées de par-foudre.

En guise de conclusion, cette histoire montre comment l’éolien est devenue une industrie a part entière et continue à se développer.

 

L’amie Stéphanie m’a envoyé quelques chiffres pour compléter ce dossier, les voici! (Merci Stéphanie)

• Au niveau français (données Eurostat, 2013) : 3% de la production d’électricité en France
• Au niveau EU (données Eurostat / Agence Européenne de l’Environnement – 2012) : 28% de la production
• L’éolien représente 9,6% des énergies renouvelables, lesquelles représentent 11% de la production énergétique en Europe. Total 1% d’éolien.
• Au niveau mondial (données World Energy Outlook 2013, Agence internationale de l’énergie) L’éolien représentait 2.3% de la production totale d’énergie en 2012.
• En 2013 l’éolien représentait 4,1% de la production énergétique chez les USA.

Bibliographie

Ce dossier a été surtout construit avec un excellent livre de Marc Rapin et Jean-Marc Noel « L’énergie Eolienne, Du petit éolien à l’éolien offshore« . Ce n’est pas un livre de diffusion des science mais un livre aussi sérieux qu’intéressant au sujet de cette industrie!

 

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