Les énergies renouvelables : état des lieux et perspectives

Les éléments constituant une éolienne

Une éolienne est un assemblage de plusieurs sous-systèmes sophistiqués qui fonctionnent ensemble en vue de transformer l'énergie mécanique du vent en énergie électrique. Chaque système est conçu séparément mais une fois assemblé aux autres, il forme un seul élément final destiné à produire de l'électricité (source CCI Meuse[1]).

Les éoliennes sont généralement constituées de quatre grandes parties.

  • L'hélice ;

  • La nacelle ;

  • L'ensemble générateur ;

  • Le mât.

Schémas d'ensemble d'une éolienne
Schémas d'ensemble d'une éolienneInformationsInformations[2]
Coupe d'une nacelle d'éolienne
Coupe d'une nacelle d'éolienneInformationsInformations[3]

L'hélice

Son rôle est de transformer une partie de l'énergie cinétique du vent en couple mécanique. Elle est composée de pales portées par un moyeu (la plupart des éoliennes industrielles actuelles sont équipées de trois pales). Les pales (en général trois, parfois deux) des unités les plus puissantes peuvent atteindre 60 m de long (diamètre 120 m) et peser au total plus de 1 200 tonnes. Lorsque la vitesse du vent dépasse celle qui correspond à la puissance nominale, un système de régulation contrôle et dégrade le rendement de l'hélice de façon que celle-ci ne capture que la puissance strictement nécessaire ( source Bonal[4]). Les pales sont fabriquées à partir de matériaux composites et leur profil est optimisé pour réduire le bruit à leur extrémité.

La nacelle

L'hélice et la nacelle sont reliées par l'intermédiaire du moyeu. La nacelle est l'habitacle situé au sommet du mât. Elle est orientable afin que l'angle entre l'axe de l'hélice et la direction du vent soit nul en moyenne. L'ensemble générateur y est installé. Elle contient toute la machinerie transformant la rotation lente des pales en électricité. Cette machinerie permet de superviser l'éolienne : diriger les pales en fonction de la force du vent, arrêter l'éolienne. Des girouettes sont placées sur le toit de la nacelle pour mesurer la direction moyenne du vent. Un soin particulier est maintenant opéré sur le traitement anti-bruit de la nacelle (isolation). La nacelle est orientable dans l'axe du vent et y est maintenue par une boucle d'orientation motorisée.

L'ensemble générateur

Intégré dans la nacelle, il assure deux fonctions[4] :

  • Transformer le couple mécanique du moyeu tournant en électricité grâce à un générateur électromécanique.

  • Adapter le courant électrique fourni par le générateur aux normes du réseau dans lequel la machine délivre son énergie pour que le couplage (synchronisation des fréquences de la machine et du réseau) soit possible.

Il faut alors adapter les caractéristiques de la source d'énergie (vent variable et puissances variables) aux besoins du réseau électrique (fréquence fixe, amplitude constante de la tension, puissance demandée variable). Dans ce cadre, il existe deux grandes familles d'éoliennes :

  • Les éoliennes à couplage direct (éoliennes à entraînement multiplié et couplage direct au réseau) : un multiplicateur de vitesse est placé entre l'arbre de l'hélice et celui du générateur électromécanique. Il amène la vitesse de rotation de l'hélice de 50 tr/min à 1 500 tr/min, vitesse de rotation nominale des générateurs asynchrones du meilleur rapport qualité/prix. Cette technologie oblige cependant l'hélice à fonctionner à vitesse de rotation constante (à +/- 2%), ne permettant pas d'utiliser au mieux l'énergie du vent.

  • Les éoliennes à couplage indirect (éoliennes à entraînement direct et couplage au réseau par convertisseur électronique) : le moyeu de l'hélice est relié directement au rotor du générateur électromécanique (générateur synchrone). Comme la vitesse du vent varie, la fréquence de sortie du courant délivré par l'alternateur varie aussi. Pour assurer le couplage avec le réseau de distribution électrique (fréquence et amplitude de la tension fixes), il faut installer un convertisseur redresseur (associé à un onduleur).

Le mât ou tour

Il porte la nacelle et permet de placer l'axe de l'hélice à une hauteur supérieure à celle de son rayon. Les mats sont généralement de construction tubulaire, tronconique. Ils sont réalisés en associant entre eux des éléments pour boulonnage intérieur de brides. Le diamètre de la base d'une tour est de 5 m et diminue progressivement pour atteindre environ 3 m au sommet. Ainsi les tours comportent 3 ou 4 sections. En règle générale, la hauteur du mat est égale au diamètre de l'hélice. Leur poids peut être important (115 tonnes pour le mat de 65 m de la machine Vestas 90[4]). Pour les sites très ventés, on peut construire des mats deux fois plus hauts que le diamètre de l'hélice afin d'aller chercher des vents plus forts. Certaines tours peuvent dépasser 100 m. Le mât peut également contenir une partie des composants électriques et électroniques, en association avec la nacelle.

La tour repose sur des fondations, qui pour des éoliennes terrestres, consistent en une assise en béton sur laquelle est fixé l'ensemble de la structure, devant être capable de résister aux tempêtes et aux vents extrêmes. Il faut près de 500 tonnes (source CCI Meuse[1]) de béton pour les fondations d'une éolienne de 3 MW.

Au sol, une cabine de dispersion permet l'injection du courant produit au niveau de la nacelle dans le réseau électrique. Les éoliennes industrielles actuelles les plus répandues sont les éoliennes tripales, entraînant une génératrice asynchrone.

ComplémentLes matériaux utilisés

Les matériaux utilisés doivent être très résistants car la vitesse du vent peut varier dans une large gamme. Le tableau ci-dessous présente les matériaux avec les lesquels sont fabriqués les éléments constituant une éolienne.

Éléments d'une éolienne et leurs matériaux (Source CCI Meuse[1])

Éléments

Composants

Matériaux

Fondations

Mât

Sections coniques

Cabine de suspension

Système de commandes électriques

Nacelle

Coque

Matériau composite

Châssis

Pièces de fonderies

Arbre principal

Pièces mécaniques

Multiplicateur

Alternateur

Frein

Brides et couronnes d'orientation

Huiles

Composants électroniques

Rotor

Moyeu

Pièces de fonderie

Pales

Matériau composite

  1. Chambre de Commerce et d'Industrie de la Meuse

    "L'énergie éolienne", disponible sur < http://www.lorraine-reel.net/attachments/article/1668/energie-eolienne.pdf >, 2012.

  2. Source : http://www.20degres.fr/energies-renouvelables/tout-savoir-sur-l-eolien.php

  3. Avec l'aimable autorisation de Vestas Wind Systems A/S

  4. Bonal Jean et Rossetti Pierre

    Bonal Jean, Rossetti Pierre, "Énergies alternatives", collection Technologies environnement et société, Éditions Ecrin-Omniscience (2011).

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