Éolienne

Une éolienne est un dispositif qui transforme l'énergie cinétique du vent en énergie mécanique, dite énergie éolienne, laquelle est ensuite le plus souvent transformée en énergie électrique. Les éoliennes produisant de l'électricité sont appelées « aérogénérateurs », tandis que les éoliennes qui pompent directement de l'eau sont parfois dénommées « éoliennes de pompage » ou « pompes à vent ». Une forme ancienne d'éolienne est le moulin à vent.

Les termes « centrale éolienne », « parc éolien » ou « ferme éolienne » sont utilisés pour décrire les unités de production groupées, installées à terre ou en mer.

Les pays du monde où les champs éoliens sont les plus nombreux sont la Chine, les États-Unis, l'Allemagne, l'Espagne, l'Inde, le Royaume-Uni et, en proportion de la population, le Danemark (voir Production d'énergie éolienne).

Comme l'énergie solaire et d'autres énergies renouvelables intermittentes, l'éolien peut constituer un système d'alimentation autonome, mais il nécessite alors soit une source d'énergie d'appoint pour les périodes moins venteuses (par exemple des centrales à gaz), soit un stockage d'énergie de réseau (batteries, stockage hydraulique ou, plus récemment, hydrogène, méthanation, air comprimé), soit encore un réseau électrique intelligent.

vignette|redresse|Deux types d'éoliennes à Marcellois.

vignette|redresse|Parc éolien en mer, en Belgique. vignette|redresse|Éolienne BEST-Romani à Nogent-le-Roi (Eure-et-Loir), 1955-1966.

Étymologie En 1885, Ernest-Sylvain Bollée, inventeur de l'éolienne Bollée, utilise le mot « éolienne » (du dieu du vent Éole) pour la première fois comme nom commun à partir de l'adjectif substantivé (énergie éolienne). Le mot trouve sa place dans le Larousse en 1907..

Historique vignette|redresse|gauche|Article de Scientific American sur l'invention de Brush (1890).

L'ancêtre de l'éolienne est le moulin à vent, apparu en Perse dès l'an 620 et suivi de la pompe à vent, apparue au dans l'actuel Afghanistan. De nos jours, ils sont encore utilisés couplés à une pompe à eau, généralement pour drainer et assécher des zones humides ou au contraire irriguer des zones sèches ou permettre l'abreuvage du bétail.

En 1888, Charles Francis Brush construit une grande éolienne pour alimenter sa maison en électricité, avec stockage par batterie d'accumulateurs.

La première éolienne « industrielle » génératrice d'électricité est mise au point par le Danois Poul La Cour en 1890, pour fabriquer de l'hydrogène par électrolyse. Dans les années suivantes, il crée l'éolienne « Lykkegard », dont il vend soixante-douze exemplaires en 1908 DRUID-DIME Winter Conference ..

En 1923, le généticien britannique John Burdon Sanderson Haldane écrit : Une éolienne expérimentale de fonctionna de 1955 à 1963 en France, à Nogent-le-Roi dans la Beauce. Elle avait été conçue par le Bureau d'études scientifiques et techniques de Lucien Romani et exploitée pour le compte d'EDF. Simultanément, deux éoliennes Neyrpic de furent testées par EDF à Saint-Rémy-des-Landes (Manche)L'aérogénérateur 800 kVA BEST - Romani, cavey.org.. Il y eut également une éolienne raccordée au secteur sur les hauteurs d'Alger (Dély-Ibrahim) en 1957.

Cette technologie ayant été quelque peu délaissée par la suite, il faudra attendre le premier choc pétrolier de 1973 pour que

Description vignette|redresse|Schéma d'une éolienne de type aérogénérateur. Éolienne à axe horizontal

Une éolienne à axe horizontal est une hélice perpendiculaire au vent, montée sur un mât. La hauteur est généralement de pour les petites éoliennes, et supérieure au double de la longueur d'une pale pour les modèles de grande envergure.

En 2017, la plus grande éolienne mesure de haut pour une puissance de .. En 2019, le prototype de l'Haliade X, installé à Rotterdam, d'une puissance de , atteint de haut..

Composition L'éolienne la plus courante, à axe horizontal, se compose d'un mât, une nacelle et un rotor. Des éléments annexes, comme un poste de livraison pour injecter l'énergie électrique produite au réseau électrique, complètent l'installation.

Une telle éolienne se modélise principalement à partir de ses caractéristiques aérodynamiques, mécaniques et électrotechniques. En pratique, on distingue aussi le « grand éolien », qui concerne les machines de plus de Quelle est la différence entre le petit et le grand éolien ?, sur les-energies-renouvelables.eu (consulté le 5 décembre 2018)., de l'éolien de moyenne puissance (entre ) et du petit éolien (inférieur à ).

Mât La fonction du mât est d'élever le rotor à une hauteur suffisante pour que celui-ci entre en mouvement (nécessaire pour les éoliennes à axe horizontal), ou à une hauteur où le vent souffle de façon plus forte et plus régulière qu'au niveau du sol. Le mât abrite généralement une partie des composants électriques et électroniques (modulateur, commande, multiplicateur, générateur). Les mâts sont généralement en acier, mais des mâts de béton sont de plus en plus utilisés par certains producteurs (par exemple en France, pour environ montées de 2004 à début 2013 par Enercon, 300 ont un mât de béton)Systèmes Solaires (journal sur les énergies renouvelables), spécial « Atlas 2013 des parcs éoliens en France », 2003..

Nacelle La nacelle est montée au sommet du mât et abrite les composants mécaniques et pneumatiques et certains composants électriques et électroniques nécessaires au fonctionnement de la machine. La nacelle peut tourner pour orienter la machine dans la bonne direction.

Rotor Le rotor est composé du nez de l'éolienne recevant les pales (en général trois), fixé sur un arbre tournant dans des paliers installés dans la nacelle. Le rotor, solidaire des pales, est entraîné par l'énergie du vent. Il est branché directement ou indirectement (via un multiplicateur de vitesse à engrenages) au système mécanique qui utilise l'énergie recueillie (pompe, générateur électrique).

Puissance théoriquement récupérable La puissance du vent contenue dans un cylindre de section est :

avec : : vitesse du fluide au niveau de l'éolienne ; : masse volumique de l'air (air atmosphérique sec, environ : à et à pression atmosphérique, soit ) ; : vitesse du vent en m/s.

Une éolienne ne permet de récupérer qu'une partie de cette puissance, car l'écoulement ne peut pas avoir une vitesse nulle après son passage à travers la turbine (dans le cas contraire, cela reviendrait à ).

Formule de Betz

L'énergie récupérablePour une éolienne sans récupération d'énergie potentielle. par une éolienne est inférieure à l'énergie cinétique de l'air situé en amont de celle-ci, puisque l'air doit conserver une énergie cinétique résiduelle pour qu'il subsiste un écoulement. Albert Betz a démontré en 1920 que la puissance maximale récupérable est égale à de la puissance incidente..

La puissance maximale théorique d'une éolienne est ainsi fixée à :

soit :

où : = puissance en watts (W) ; = surface balayée par les pales en mètres carrés (m) ; = vitesse du vent en mètres par seconde (m/s).

Cette puissance maximale est ensuite affectée du coefficient de performance propre au type et au modèle d'éolienne et au site d'installation. Ce coefficient est en général compris entre 0,20 et 0,70.

Pour un rotor à axe horizontal, un calcul du coefficient de puissance maximal a été proposé par H. Glauert en 1935, en fonction du rapport de vitesse en bout de pale .. Le calcul de cet optimum de puissance a été amendé en 2025 par l'étudiante Divya Tyagi, qui a fourni des solutions exactes pour les coefficients de poussée CT et de moment de flexion CBe, obtenues par calcul des variations..

Pour le calcul de la puissance d'une éolienne tenant compte de l'énergie cinétique et potentielle, voir Calcul de la puissance d'une turbine type éolien ou hydrolienne.

Production d'énergie électrique

Du fait de l'intermittence du vent et des variations de sa puissance, on distingue deux notions :

Puissance nominale Une des caractéristiques importantes des éoliennes est leur puissance électrique nominale. Ainsi, faire référence à une éolienne de signifie qu'elle est capable de fournir une puissance électrique maximale de . La vitesse de vent minimale pour atteindre cette puissance maximale est de l'ordre de , soit environ : en dessous de cette vitesse, l'éolienne produit moins d'énergie, mais au-dessus, la production n'est pas plus importante, et quand la vitesse du vent atteint le seuil de sécurité (souvent aux alentours de – ), l'éolienne est bridée, voire mise à l'arrêtGamme du fabricant Enercon, sur enercon.de.. La production réelle d'énergie électrique est donc fonction de la distribution statistique de la vitesse du vent sur le site.

Facteur de charge Le facteur de charge est le rapport entre l'énergie électrique produite sur une période donnée et l'énergie que l'éolienne aurait produite si elle avait fonctionné à sa puissance nominale durant la même période. Cet indicateur est souvent calculé sur une année et exprimé en pour cent (%), c'est d'ailleurs le cas dans la suite de cette section. En moyenne, sur l'ensemble de l'Europe, ce facteur de charge a varié entre 17,7 et 21,0 % entre 2003 et 2008 Energy - Yearly statistics 2008 , Eurostat, pages 12 et 13., alors qu'en France il a été de 22 % pour les années 2009 et 2010Bilan électrique français 2010 , RTE, 20 janvier 2011, pages 14 et 16.Bilan électrique français 2009 , RTE, 13 janvier 2010, pages 8 et 9.. En 2022, la Neue Zürcher Zeitung a calculé le facteur de charge de en Allemagne sur un total de . Selon le quotidien suisse, leur facteur de charge est inférieur à 20 %. Seules 15 % des éoliennes ont un facteur de charge qui dépasse 30 %. Deux seulement se trouvent dans le sud de l'Allemagne..

En 2009, l'éolien représentait 1,3 % de la production mondiale d'électricité. En France, la production électrique de l'éolien représentait 1,5 % de la production totale d'électricité en 2009 et 1,7 % en 2010. Au Danemark, le parc de en 2009 et une production de représentaient 18,5 % de la production d'électricité (soit 2,99 % de la consommation totale d'énergie)Non trouvé le 5 décembre 2018 , Danish Energy Agency, novembre 2010, pages 5, 9 et 10..

Autres caractéristiques techniques Pour des raisons de sécurité, il est nécessaire d'immobiliser les pales lorsque le vent est trop fort. En effet, les pales fléchissent sous la force du vent et, par vent trop fort, viendraient percuter le mât. L'inertie de la turbine est à peu près proportionnelle au cube de la longueur des pales alors que la surface résistante au vent est proportionnelle au carré de cette longueur. Les pressions exercées sur une éolienne augmentent donc très rapidement à mesure que sa taille augmente. Ainsi la longueur maximale d'une pale est-elle limitée par la résistance de ses matériaux.

Les pales de grande taille sont réalisées avec des matériaux composites à base de fibre de verre ou de carbone et une résine époxy ou polyester.. Le balsa est couramment utilisé dans les composites à structure sandwich des pales... D'autres matériaux peuvent être utilisés.. Les éoliennes plus petites peuvent être construites dans des matériaux moins chers, tels que la fibre de verre, l'aluminium ou le bois lamellé.

Les petites éoliennes sont dirigées vers le vent par un aileron arrière, à la manière d'une girouette. Les grandes éoliennes possèdent des capteurs qui détectent la direction du vent et actionnent un moteur qui fait pivoter le rotor.

vignette|gauche|redresse|Éoliennes au Texas (États-Unis).