Université Ibn Zohr Ecole Nationale des Sciences Appliquées Agadir
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de cours des :
NOUVELLES SOURCES D’ÉNERGIE
Fait par : El Mahfoud BOULAOUTAQ BOULAOUTAQ
Année Universitaire : 201!201" #hapitre III :
I.
DEFINITION DE L'ENERGIE EOLIENNE
L’humanité utilise le vent de puis la nuit des temps (bateau à voile, moulin à vents…). C’est C’est cert certain ainem ement ent la form formee d’én d’éner ergi giee renou renouve velab lable le qui qui conn connat at le plus plus fort fort développement ! les éoliennes a"ant fait de gros progr#s depuis une di$aine d’années (plus %%& en productivité, moins %'& en niveau de bruit). ne éolienne est une machine qui transforme lénergie cinétique du vent (déplacement dune masse dair) en énergie mécanique ou électrique. Les éoliennes sont con*ues de mani#re à produire un ma+imum de puissance pour des vents de force mo"ennes fréquemment rencontrées. lles atteignent leur puissance nominale pour une vitesse de vent de %' -mh (/0 ms). 1i le vent devient plus violent, la machine subit des contraintes plus importantes. lle est alors freinée gr2ce à un s"st#me de régulation électronique qui lui permet de rester à la puissance ma+imale (atteinte d#s %' -mh) tout en limitant les efforts sur la structure. 3u delà dun certain seuil (4' -mh, soit 5% ms), la régulation ne suffit plus. La machine est alors stoppée afin de lui éviter de subir des charges tropimportantes. Cette Cette énerg énergie ie offre offre deu+ deu+ grands grands avanta avantages, ges, puisqu puisquell ellee est totalem totalement ent propre propre et renouvelable. Lors de son e+ploitation, elle nentrane aucun re6et (pas deffet de serre) et aucun déchet. 7ais le principal inconvénient de cette source dénergie renouvelable est son manque de fle+ibilité et son inconstance. Le vent ne souffle pas forcément quand on en a besoin 8 n mo"enne, une éolienne tourne à sa puissance nominale /% du temps sur une année. II.
DESCRIPTIF D’UNE EOLIENNE
ne éolienne (aérogénérateur) permet de transformer lénergie cinétique du vent en énergie électrique. L’hélice d’une éolienne entre en rotation par la force du vent et permet ainsi la production d’énergie mécanique ou électrique.
9our convertir l’énergie éolienne en énergie électrique le générateur va utiliser le phénom#ne d’induction. n effet ce dernier est composé de deu+ parties, une partie
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mobile le rotor et une partie fi+e, le stator, permettant de créer un champ magnétique et de générer un courant électrique. L’éolienne est également équipée d’une girouette permettant l’orientation des pales en fonction de la direction du vent. lle doit :tre également fi+ée solidement au sol. 1’agissant du m2t, il doit :tre dimensionné précisément en fonction de la machine, des fondations… L’éolienne doit :tre adaptée au site et à ses besoins, ;l faut vérifier le vent, on consid#re qu’un site est e+ploitable lorsque l’on dispose d’une vitesse minimale de vent de 0ms, à une hauteur du sol de /'m. La donnée
PRINCIPAUX COMPOSANTS D’UNE EOLIENNE
III.
;l e+iste plusieurs configurations possibles daérogénérateurs qui peuvent avoir des différences importantes. >éanmoins, une éolienne ?classique? est généralement constituée de@ 1.
Le mât
Aénéralement en métal, supporte l’ensemble des équipements permettant de produire l’électricité (nacelle B rotor). ;l est fi+é sur une fondation implantée dans le sol, une lourde semelle en béton qui assure l’ancrage et la stabilité de l’éolienne. Le m2t des éoliennes atteint au6ourd’hui ' m de haut pour les plus puissantes (e+ceptionnellement 6usqu’à /'' m). les éoliennes sontDelles si haut perchées C’est parce que le vent souffle plus fort à quelques di$aines de m#tres de hauteur, oE il n’est pas perturbé par l’effet des obstacles @ relief, arbres, maisons…t la puissance fournie par une éolienne est proportionnelle au cube de la vitesse du vent .
-3-
2.
Un rotor
Composé de plusieurs pales (en général F) et du ne$ de l’éolienne. Les pales sont au6ourd’hui faites de matériau+ composites à la fois légers et assurant une rigidité et une résistance suffisantes @ pol"ester renforcé de fibre de verre etou fibre de carbone. Leur longueur atteinte actuellement entre F' et %% m#tres, soit un diam#tre du rotor compris entre G' et //' m#tres. La puissance d’une éolienne est proportionnelle à la surface bala"ée par ses pales (un cercle), donc au carré de son diam#tre rotor. n rotor bala"e un disque circulaire au cours d’une rotation et peut donc récolter l’énergie des molécules d’air traversant ce disque. Le rotor est relié à la nacelle par le mo"eu lle transforme l’énergie cinétique du vent en énergie mécanique. ,
3.
Une nacee
7ontée au sommet du m2t et abritant les composants mécaniques et pneumatiques et certains composants électriques et électroniques nécessaires au fonctionnement de la machine. Le transport de l’électricité produite dans la nacelle 6usqu’au sol est assuré par des c2bles électriques descendant à l’intérieur du m2t de l’éolienne.
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Les différents composants d’une nacelle @ Le multiplicateur de vitesse @ il sert à élever la vitesse de rotation entre l’arbre primaire et l’arbre secondaire qui entrane la génératrice électr ique.
L’arbre secondaire comporte généralement un frein mécanique qui permet d’immobiliser le rotor au cours des opérations de maintenance et d’éviter l’emballement de la machine.
La génératrice @ c’est elle qui convertit l’énergie mécanique en énergie électrique.
Un contrôleur électronique chargé de surveiller le fonctionnement de l’éolienne. ;l s’agit en fait d’un ordinateur qui peut gérer le démarrage de la machine lorsque la vitesse du vent est suffisante (de l’ordre de % ms), gérer le pas des pales, le freinage de la machine, l’orientation de l’ensemble H rotor plus nacelle I face au vent de mani#re à ma+imiser la récupération d’énergie. 9our mener à bien ces différentes t2ches, le contrJleur utilise les données fournies par un anémom#tre (vitesse du vent) et une girouette (direction du vent), habituellement situés à l’arri#re de la nacelle. nfin, le contrJleur assure également la gestion des différentes pannes éventuelles pouvant survenir.
Divers dispositifs de refroidissement (génératrice, multiplicateur) par ventilateurs, radiateurs d’eau ou d’huile.
Ar2ce à un s"st#me de supervision et contrJle d’une éolienne peut :tre arr:tée automatiquement et tr#s rapidement en cas de nécessité. La sécurité du fonctionnement des éoliennes est ainsi assurée en continu. Kans le cas des éoliennes produisant de lélectricité, un poste de livraison situé à pro+imité du parc éolien permet de relier ce parc au réseau électrique pour " in6ecter lintégralité de lénergie produite. IV.
LE PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT D’UNE EOLIENNE
1ous l’effet du vent, le rotor tourne. Kans la nacelle, l’arbre principal entrane un alternateur qui produit l’électricité. La vitesse de rotation du rotor (de /5 à /%
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toursminute) doit :tre augmentée par un multiplicateur de vitesse 6usqu’à environ /%'' toursminute, vitesse nécessaire au bon fonctionnement de l’alternateur. Kes convertisseurs électroniques de puissance a6ustent la fréquence du courant produit par l’éolienne à celle du réseau électrique auquel elle est raccordée (%' $), tout en permettant au rotor de l’éolienne de tourner à vitesse variable en fonction du vent. La tension de l’électricité produite par l’alternateur, de l’ordre de G'' à /''' volts, est ensuite élevée à travers un transformateur de puissance, situé dans la nacelle ou à l’intérieur du m2t, 6usqu’à un niveau de 5' ou F' MN. Ce niveau de tension permet de véhiculer l’électricité produite par chacune des éoliennes d’une centrale éolienne 6usqu’au point de raccordement au réseau électrique public. La tension de l’électricité produite par la centrale peut alors :tre de nouveau transformée, en fonction du niveau de tension de raccordement de la centrale au réseau public. 9our pouvoir démarrer, une éolienne a besoin d’une vitesse de vent minimale, de l’ordre de /' à /% -mh. t auDdelà de 4' -mh, les turbines s’arr:tent de tourner. Oout d’abord, la fréquence d’occurrence des vents d’une vitesse supérieure à 4' -mh est généralement faible (inférieure à / &), et si les éoliennes fonctionnaient dans ces conditions, elles subiraient des efforts importants qui entraneraient une usure prématurée de leurs équipements. Compte tenu du faible gain relatif sur la production que représente un fonctionnement par vent fort, les ingénieurs préf#rent, dans ces conditions, !to""er les machines et attendre le retour de vents plus modérés et plus réguliers. V.
LES DIFFERENTS T#PES D’EOLIENNES
Les solutions techniques permettant de recueillir l’énergie du vent sont tr#s variées. Le ableau suivant présente une classification des turbines éoliennes @
Les raisons pour choisir une grande éolienne : 1. Le principe des économies déchelle vaut évidemment également pour les éoliennes. 3insi, une grande éolienne produit normalement de lélectricité à un moindre co=t quune petite. La raison pour cela est que les co=ts de fondations, de construction, de raccordement au réseau et dautres composants de léolienne (le s"st#me contrJleDcommande,p.e+.) sont plus ou moins les m:mes, quelque soit la taille de léolienne. 2. Les grandes éoliennes sont particuli#rement appropriées à linstallation en mer (offshore). Le co=t des fondations naugmente pas proportionnellement avec la taille de léolienne, et les co=ts dentretien sont dans une large mesure indépendants de la taille. 3. Kans les $ones oE il est difficile de trouver des sites pour plus quune seule éolienne, une grande éolienne avec une tour haute tire mieu+ partie de la ressource éolienne quune petite.
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Les raisons pour choisir une éolienne plus petite 1. ;l arrive que le réseau électrique local soit trop faible pour supporter la production électrique dune grande éolienne. Cest souvent le cas dans les parties les plus e+térieures du réseau oE la densité de la population et les besoins en électricité est tr#s basse. 2. La production délectricité est moins fluctuante dans un parc éolien composé de plusieurs petites éoliennes, étant donné que les variations du vent sont aléatoires, a"ant donc tendance à sannuler. t en plus, comme dé6à mentionné, le choi+ déoliennes plutJt petites peut se révéler avantageu+ dans un réseau électrique faible. 3. Les co=ts liés à lusage de tr#s grandes grues et à la construction de chemins suffisamment robustes pour supporter le transport des composants de léolienne constituent un autre facteur qui, dans certains endroits, rend plus économique le choi+ de petites éoliennes. 4. 3vec plusieurs éoliennes dune moindre puissance, on assure la répartition du risque en cas de défaillance temporaire dune éolienne (p.e+. par suite dune foudre). 5. Kes considérations esthétiques du pa"sage peuvent parfois dicter le choi+ déoliennes plus petites. Cependant, il faut savoir, que la vitesse de rotation dun grand rotor est en général beaucoup moins rapide que celles dun petit, ce qui a pour résultat quune seule grande éolienne attire souvent moins lattention que plusieurs petites.
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Les éoliennes se divisent en deu+ grandes familles @ celles à a+e vertical et celles à a+e hori$ontal @ 1.
EOLIENNES A AXE VERTICAL
Les éoliennes à a+e vertical ont été les premi#res structures développées pour produire de l’électricité parado+alement en contradiction avec le traditionnel moulin à vent à a+e hori$ontal. lles poss#dent l’avantage d’avoir les organes de commande et le générateur au niveau du sol donc facilement accessibles et il sagit dune turbine à a+e vertical de forme c"lindrique qui peut facilement :tre installée sur le toit dune maison moderne et dont les avantages sont @ faible impact visuel, pratiquement pas de bruit et tr#s grande tolérance au+ vents forts. ;l e+iste des s"st#mes gr2ce au+quels les ailes se décalent plus ou moins pour augmenter létendue des vitesses daction. 1i la vitesse du vent est basse, les ailes sont compl#tement déplo"ées, si la vitesse est trop forte, les ailes sont compl#tement fermées et léolienne forme un c"lindre. 7:me si quelques grands pro6ets industriels ont été réalisés, les éoliennes à a+e vertical restent toutefois marginales et peu utilisées voire actuellement abandonnées. 1elon Les avantages théoriques dune machine à a+e vertical sont les suivantes @ lle vous permet de placer la génératrice, le multiplicateur, etc. à terre, et vous nave$ pas besoin de munir la machine dune tour. n mécanisme dorientation nest pas nécessaire pour orienter le rotor dans la direction du vent. Les inconvénients principau+ sont les suivants @ Lefficacité globale des éoliennes à a+e vertical nest pas impressionnante. Léolienne ne démarre pas automatiquement. Cependant, ceci ne constitue quun inconvénient mineur dans le cas dune éolienne raccordée au réseau, étant donné quil est alors possible dutiliser la génératrice comme un moteur absorbant du courant du réseau pour démarrer léolienne).
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2.
EOLIENNES A AXE $ORI%ONTAL
Les éoliennes à a+e hori$ontal sont basées sur la technologie ancestrale des moulins à vent. lles sont constituées de plusieurs pales profilées aérod"namiquement à la mani#re des ailes davion. Kans ce cas, la portance nest pas utilisée pour maintenir un avion en vol mais pour générer un couple moteur entranant la rotation. Le nombre de pales utilisé pour la production délectricité varie classiquement entre / et F, le rotor tripale étant le plus utilisé car il constitue un compromis entre le coefficient de puissance, le co=t et la vitesse de rotation du capteur éolien.Ce t"pe déolienne a pris le dessus sur celles à a+e vertical car elles représentent un co=t moins important, elles sont moins e+posées au+ contraintes mécaniques et la position du récepteur à plusieurs di$aines de m#tres du sol privilégie lefficacité. 3u6ourd’hui, pratiquement les seules éoliennes commerciales sont à a+e hori$ontales. Les plus grandes éoliennes mesurent 6usquà /'m en bout de pale avec un mo"eu à /5'm pour une puissance de G 7P.
AVANTAGES EOLIENNE
VI.
ET
INCONVENIETS
DE
L’ENERGIE
La croissance de lénergie éolienne est évidemment liée au+ avantages de lutilisation de ce t"pe dénergie. Cette source dénergie a également des désavantages quil faut étudier, afin que ceu+Dci ne deviennent pas un frein à son développement. 1.
LES AVANTAGES
-9-
L’énergie éolienne, propre, fiable, économique, et écologique, c’est une énergie qui respecte lenvironnement . Qien que ne pouvoir envisager de remplacer totalement les sources traditionnelles d’énergie, l’énergie éolienne peut toutefois proposer une alternative intéressante et renouvelable. lle s’inscrit parfaitement dans l’effort global de réductions des émissions de CR5, etc. … Lénergie éolienne est une énergie renouvelable propre, gratuit, et inépuisable. Chaque mégaSatheure d’électricité produit par l’énergie éolienne aide à réduire de ', à ',4 tonne les émissions de CR5 re6etées chaque année par la production d’électricitédorigine thermique. 9armi toutes les sources de production d’électricité, celle d’origine éolienne subit de tr#s loin le plus fort tau+ de croissance. Lénergie éolienne nest pas non plus une énergie à risque comme lénergie nucléaire et ne produit pas de déchets to+iques ou radioactifs. Le+ploitation de lénergie éolienne nest pas un procédé continu puisque les éoliennes en fonctionnement peuvent facilement :tre arr:tées, contrairement au+ procédés continus de la plupart des centrales thermiques et des centrales nucléaires. Ceu+Dci fournissent de lénergie m:me lorsque que lon nen a pas besoin, entranant ainsi dimportantes pertes et par conséquent un mauvais rendement énergétique. Les parcs éoliens se démontent tr#s facilement et ne laissent pas de trace. Cest une source dénergie locale qui répond au+ besoins locau+ en énergie. 3insi les pertes en lignes dues au+ longs transports dénergie sont moindres. Cette source dénergie peut de plus stimuler l’économie locale, notamment dans les $ones rurales. La durée de vie des éoliennes modernes est maintenant de 5' à 5% ans, ce qui est comparable à de nombreuses autres technologies de production dénergie conventionnelles. Cest lénergie la moins ch#re entre les énergies renouvelables, le co=t de l’éolienne à diminuer presque 4'& depuis le début des années '. Le co=t de lénergie éolienne continue de diminuer gr2ce au+ percées technologiques, à laccroissement du niveau de production et à lutilisation de grandes turbines. Cette source dénergie est également tr#s intéressante pour les pa"s en voie de développement. lle répond au besoin urgent dénergie quont ces pa"s pour se développer. Linstallation dun parc ou dune turbine éolienne est relativement simple. Le co=t dinvestissement nécessaire est faible par rapport à des énergies plus traditionnelles, ce t"pe dénergie est facilement intégré dans un s"st#me électrique e+istant dé6à. Lénergie éolienne se rév#le une e+cellente ressource dappoint dautres énergies, notamment durant les pics de consommation, en hiver par e+emple . 2.
LES INCONVENIENTS
7:mes s’ils ne sont pas nombreu+, l’éolien a quelques désavantages @ L’impact visuel @ Ca reste néanmoins un th#me sub6ectif . Kes images de s"nth#se sont élaborées pour montrer l’impact visuel. Kans la plus grande ma6orité des cas, les enqu:tes réalisées montrent une réelle acceptation des populations voisines ou visitant un site éolien. Les bruits mécaniques ou aérod"namiques ont été réduits par l’utilisation de nouveau+ profils, e+trémités de pale, mécanismes de transmission etc. et ne sont plus une g:ne, m:me proche des machines (%'DG' dQ équivalent à une conversation). ne distance d’environ huit fois le diam#tre permet de ne plus distinguer aucun bruit lié à cette activité (T 0' dQ). Ke plus, il faut souligner que
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le bruit naturel du vent, pour des vitesses supérieures à ms, a tendance à masquer le bruit ra"onné par l’éolienne. Les éoliennes peuvent nuire à la migration des oiseau+ en étant un obstacle mortel. n effet, les pales en rotation sont difficilement visibles par mauvais temps ou la nuit. Les oiseau+ peuvent alors entrer en collision avec cellesDci. 9lus le parc éolien est dense plus ce risque est grand. Kes lumi#res sur les pales peuvent réduire ce danger. Cependant, aucune étude sérieuse ne semble actuellement avoir démontré la réalité du danger pour les oiseau+. La source d’énergie éolienne étant stochastique, la puissance électrique produite par les aérogénérateurs n’est pas constante. La qualité de la puissance produite n’est donc pas tou6ours tr#s bonne. Uusqu’à présent, le pourcentage de ce t"pe d’énergie dans le réseau était faible, mais avec le développement de l’éolien, notamment dans les régions à fort potentiel de vent, ce pourcentage n’est plus négligeable. 3insi, l’influence de la qualité de la puissance produite par les aérogénérateurs augmente et par suit, les contraintes des gérants du réseau électrique sont de plus en plus strictes.
TEC$NI&UES DE CONVERSION D’ÉNERGIE ÉOLIENNE
VII.
Les éléments de la chaîne de conversion peuvent être agencés de diverses manières. Néanmoins, certains éléments se retrouvent dans la chaîne de conversion tels que : une turbine éolienne, une génératrice triphasée, un dispositif d'interconnexion connecté au réseau de distribution ou à une charge isolée.
Structure générale d'un système de conversion de l'énergie éolienne
A titre indicatif, les machines les plus utilisées dans les éoliennes sont du type asynchrone avec un rotor à cage. Cependant, leur proportion tend à diminuer. Les génératrices asynchrones à rotor bobiné se sont développées ces dernières années. Les machines synchrones à rotor bobiné voient également leur proportion augmenter.
;l é+iste essetiellement deu+ technologies d’éoliennes, celle dont la vitesse est con!tante et celles dont la vitesse est ar(a)e. 1.
EOLIENNES * VITESSE FIXE
Pour les machines synchrones classiques et asynchrones à cage, la vitesse de rotation est directement dépendante de la fréquence des courants des bobinages statoriques. La Machine Asynchrone à cage a un nombre de paires de pôles fixe et fonctionne donc sur une plage de vitesse très limitée : le glissement est de l'ordre de quelques %. La Machine Synchrone fonctionne en vitesse fixe impérativement.
En mode autonome -11-
Les éoliennes non raccordées au réseau, fonctionnent en mode autonome et alimentent des charges isolées avec éventuellement un ou plusieurs groupes électrogènes en appui. Pour cette configuration, le recours à un système de stockage présente un intérêt significatif en cas d'absence de groupes électrogènes, notamment en cas de vent faible. Le recours à des batteries est utile pour le stockage d'énergie à long terme. D'autres systèmes de stockage sont envisagés comme le stockage inertiel à court terme. Le stockage inertiel évite alors l'utilisation de batteries qui présentent un caractère polluant pour l'environnement. L'énergie se présente sous forme d'énergie cinétique, stockée dans un volant d'inertie. La génératrice utlisée peut être une machine synchrone à aimants permanents ou une machine asynchrone à cage munie de capacités indispensables pour son excitation.
En mode réseau
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2.
EOLIENNES * VITESSE VARIA+LE
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3.
ETUDE ET MODELISATION DE LE C$AINE DE CONVERSION EOLIENNE
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1tratégie
4.
STRATÉGIES DE COMMANDE DE LA TUR+INE ÉOLIENNE
ss
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Exercice 1: Longueur d'une pale Nous souhaitons dimensionner les pales d'une éolienne à vitesse fixe pour obtenir une puissance mécanique de 750 kW pour une vitesse de vent de 13,8 m/s. On considère un coefficient de puissance Cp égal à 0,2. Quel sera la longueur de notre pale ou le rayon de la surface balayée par la turbine ?
Réponse
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Exercice 2: Vitesse de rotation et puissance électrique d'une éolienne
On suppose que la vitesse du vent est constante et égale à 10 m/s. La valeur maximale du coefficient de puissance Cp réel est 0,. Calcule! pour le m"me glissement qu#à la question 1 la vitesse spécifique et la puissance électrique maximum $e fournie au réseau par l#éolienne. On prendra un rendement de multiplicateur à %& ' et de la génératrice de %( '.
