Le guide de l'éolien, techniques et pratiques 2212124317, 9782212124316 [PDF]

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Corinne Dubois

Le guide de

l’éolien, techniques et pratiques

Corinne Dubois

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l’éolien,

techniques et pratiques

Conception Nord Compo

L’énergie éolienne est un moyen de production performant, efficace et durable. En termes de production d’électricité, elle est l’une des filières les plus propres, les plus sures et les plus rapides à mettre en place tout en étant renouvelable. Pourtant, parfois, cette technologie a suscité la polémique. Peu d’infrastructures de production d’énergie ont suscité autant d’avis contradictoires au sein même de groupes de pensée, et aussi peu d’objectivité scientifique et technique… Ainsi, cet ouvrage vous permettra de mieux comprendre cette technologie et toutes les étapes nécessaires à la réalisation d’un projet, « pour transformer une idée et du vent en électricité renouvelable ».

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DANS LA MÊME COLLECTION Philippe Guillet. – Le guide des piscines naturelles et écologiques, G12348, 2008. Michel Tissot. – Le guide de l’énergie solaire et photovoltaïque, G12332, 2008. Brigitte Vu. – Le guide de l’eau domestique, G12372, 2008. Brigitte Vu. – Le guide de l’habitat passif, G12365, 2008. CHEZ LE MÊME ÉDITEUR Léon-Hugo Bonte. – Réaliser et entretenir son mur végétal, G12342, 2008. Bertrand Gonthiez. – Utiliser l’eau de pluie, G12275, 2008. Paul de Haut. – Construire une maison non toxique, G12253, 2008. Bruno Herzog. – Le puits canadien, G12141, 2008. Éric et Tina Masson. – Jardiner écologique, sans pesticide, G12254, 2008. Emmanuel Riolet. – L’énergie solaire et photovoltaïque pour le particulier, G12221, 2008. Brigitte Vu. – L’isolation écologique, G12265, 2007. Brigitte Vu. – La maison à énergie zéro, G12089, 2007. Brigitte Vu. – Rénovation et Grenelle de l’environnement, G12318, 2008. Pascal Farcy. – Le compost, G12220, 2007. Paul de Haut. – 25 moyens d’économiser son argent et notre environnement, G12053, 2007. Paul de Haut. – Chauffage, isolation et ventilation écologiques, G12105, 2007. Emmanuel Riolet. – Le mini-éolien, G12143, 2007. Brigitte Vu. – 5 diagnostics immobiliers obligatoires, G12181, 2007. Brigitte Vu. – Choisir une énergie renouvelable adaptée à sa maison, G12142, 2007. Bruno Béranger. – Les pompes à chaleur, 2e édition, G12266, 2006. Brigitte Vu. – Gestion et récupération des eaux pluviales, G11949, 2006. Brigitte Vu. – L’habitat écologique et les aides de l’État, G12054, 2006. Brigitte Vu. – Récupérer les eaux de pluie, G11984, 2006.

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Images © Corinne Dubois : 1.14, 2.1, 2.2, 2.3, 2.5, 2.6, 2.9, 2.10, 2.11, 2.12, 2.13, 2.14, 2.15, 2.16, 2.19, 2.23, 2.25, 2.26, 2.27, 2.28, 3.5, 3.16, 3.17, 3.18, 3.19, 3.20, 3.27, 5.1, 5.9, 5.12, 6.5

© Groupe Eyrolles, 2009 ISBN : 978-2-212-12431-6 ÉDITIONS EYROLLES 61, bd Saint-Germain 75240 Paris Cedex 05 www.editions-eyrolles.com Aux termes du Code de la propriété intellectuelle, toute reproduction ou représentation intégrale ou partielle de la présente publication, faite par quelque procédé que ce soit (reprographie, microfilmage, scannérisation, numérisation…) sans le consentement de l’auteur ou de ses ayants droit ou ayants cause est illicite et constitue une contrefaçon sanctionnée par les articles L.335-2 et suivants du Code de la propriété intellectuelle. L’autorisation d’effectuer des reproductions par reprographie doit être obtenue auprès du Centre Français d’exploitation du droit de Copie (CFC) – 20, rue des Grands-Augustins – 75006 PARIS.

À mon père, qui a su me transmettre son attachement à la nature et sa curiosité pour les sciences, et à ma mère, qui m’a baignée dans le monde de l’énergie depuis mon plus jeune âge…

Sommaire Préface. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

Partie 1 – Les fondamentaux de l’énergie éolienne . . . . . . . . . . . 11 1> Une

énergie particulière . . . . . . . . . 12

Généralités sur l’énergie éolienne . . . . . . 12 Les différents moyens de production de l’électricité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 Les chiffres clefs de la production d’électricité (IEA 2008) . . . . . . . . . . . . . . . 15

Les prévisions en termes d’énergie et le productible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 La représentation énergétique en vue du micrositing . . . . . . . . . . . . . . . . 74 La représentation énergétique en vue d’une évaluation de productible . . . . 76

3> Récolter

l’énergie du vent

. . . . . . . 77

Survol des différents concepts d’éolienne . . . 78 Capter le vent : les pales . . . . . . . . . . . . . 80

Prospectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

Chercher le meilleur du vent : le mât . . . . . 83

Comparaison entre sources d’énergie et impact potentiel de l’éolien . . . . . . . . . . 21

Vue globale du système fonctionnel nommé « turbine » . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

L’apport de l’éolien contre l’épuisement des ressources énergétiques . . . . . . . . . . 22

Vitesse de rotation et couple mécanique : l’ensemble rotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

Le rôle de l’éolien contre le changement climatique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 L’éolienne et le réseau . . . . . . . . . . . . . . . 28 Faire face aux variations de l’éolien . . . . . . 29 S’adapter à la production décentralisée . . . . 30 Notions de réseaux isolés ou interconnectés et comportement par rapport à l’éolien . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Cas de l’éolien sur des réseaux interconnectés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

En quoi consiste l’éolien ? . . . . . . . . . . . . 35 2> La

ressource en vent

. . . . . . . . . . . . 36

La ressource vent : son énergie et notre capacité à la capter . . . . . . . . . 37 Caractériser l’énergie du vent en un point . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 L’objectif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 Les méthodes d’acquisition des données . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

Prédire le vent statistiquement . . . . . . . . . 61 L’objectif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 Les principes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 Prédire le vent sur une zone . . . . . . . . . . 64 L’objectif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

6

Les modèles mathématiques de simulation du vent sur une zone . . . . . . . . . . . . . . . . 68

La transmission mécanique : avec ou sans boîte de vitesses . . . . . . . . . . 96 La transformation d’une rotation en électricité : la génératrice . . . . . . . . . . . 98 Le traitement et la transmission électrique jusqu’au point de raccordement . . . . . . . .108

Partie 2 – Les techniques de l’éolien en pratique . . . . . . . . 115 1> Les

différents types d’éoliens…

.116

Les éoliennes de pompage . . . . . . . . . .116 Les petites éoliennes . . . . . . . . . . . . . . .117 Les petites éoliennes à usage privé . . . . . .119 Les éoliennes « rurales » . . . . . . . . . . . . . .121 Les éoliennes « des îles » . . . . . . . . . . . . .121 Les éoliennes « urbaines » . . . . . . . . . . . . .122 Les éoliennes offshore . . . . . . . . . . . . . .124 Les éoliennes « mégawatts » terrestres . . .125 Les « multimégawatts » . . . . . . . . . . . . . .127 2> Développer

et construire une installation éolienne . . . . . . . .129 Le vocabulaire des professionnels de l’éolien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .130

Le développeur . . . . . . . . . . . . . . . . . . .130 Le promoteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .130 L’investisseur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .130 Le maître d’œuvre . . . . . . . . . . . . . . . . .131 Le maître d’ouvrage . . . . . . . . . . . . . . . .131 Le propriétaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .131 L’exploitant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .131 La société de projet . . . . . . . . . . . . . . . .131

La préfaisabilité . . . . . . . . . . . . . . . . . . .132 Définition de la préfaisabilité . . . . . . . . . .132 Les informations issues d’une étude de préfaisabilité . . . . . . . . . . . . . . . . . . .133 La durée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .134 Le coût . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .136 Mener soi-même la préfaisabilité . . . . . . .136

Le développement, terme sacré de l’éolien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .136 Définition du développement . . . . . . . . . .136 Contenu d’une étude de développement type . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .137 La durée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .141 Le coût . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .141

La gestion administrative, comptable, fiscale, juridique et financière . . . . . . . . . .157 La communication avec l’ensemble des acteurs liés à l’exploitation du parc éolien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .158

L’exploitation et la gestion technique d’un parc éolien . . . . . . . . . . . . . . . . . .158 Les différentes structures opérationnelles d’une exploitation . . . . . . . . . . . . . . . . . .159 La gestion de la production éolienne . . . . .162

L’entretien et la maintenance d’un parc éolien . . . . . . . . . . . . . . . . . .164 Les principaux cycles d’entretien et de maintenance . . . . . . . . . . . . . . . . .165 Les principales pièces touchées . . . . . . . .166 Statistique sur les principales défaillances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .166

Les coûts d’opération et de maintenance . . . . . . . . . . . . . . . .169 Les garanties et la couverture des risques d’exploitation . . . . . . . . . . .170

Mener soi-même le développement . . . . . .142

Partie 3 – Annexes . . . . . . . . . . . . 173

La préparation des travaux . . . . . . . . . .142

> Références . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .174

Les tâches de la préparation de construction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .142 La durée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .143 Le coût . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .144 Mener soi-même la préparation des travaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .144

La construction du parc . . . . . . . . . . . . .145

Ouvrages généraux . . . . . . . . . . . . . . . .174 Publications professionnelles ou scientifiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . .175 Sites Internet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .176 Les fondamentaux mathématiques et physiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .176

Les corps de métier impliqués dans la construction d’un parc éolien . . . .145

Les techniques appliquées . . . . . . . . . . . .176

Le coût et la durée de construction . . . . . .154

Les sciences de la terre, du climat et de la cartographie . . . . . . . . . . . . . . .177

Mener soi-même la construction . . . . . . . .155

3> Opérer,

entretenir et assurer la maintenance d’une installation éolienne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .156

La gestion d’un parc éolien comme une entreprise . . . . . . . . . . . . . .157

L’électricité et les réseaux . . . . . . . . . . . . .177

Les sciences et techniques de l’éolien. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .177 Les rubriques techniques et documentaires des associations de l’éolien. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .177 Le monde de l’énergie . . . . . . . . . . . . . .177

7

Préface Le changement climatique et la raréfaction des ressources sont maintenant bien présents dans tous les esprits. Il est nécessaire de changer nos habitudes et de mettre en avant toutes les démarches vertueuses pour inverser les tendances. Dans le domaine de l’énergie, les économies sont bien entendu indispensables, mais les sources d’énergies renouvelables devront également connaître une croissance sans précédent dans les prochaines décennies. En particulier, parmi toutes les ressources possibles (biomasse, soleil, vent, houle, etc.), l’énergie éolienne est aujourd’hui la plus accessible en termes de technologie et de coûts. Elle est donc tout naturellement appelée à prendre une place importante dans le « mix » énergétique mondial. D’ailleurs, avec 47 GW installés en Europe entre 2000 et 2007, l’éolien arrive désormais en deuxième position (derrière les centrales au gaz) en termes de nouvelles capacités électriques installées, et cette tendance ne va pas s’infléchir au cours des prochaines années ! Aujourd’hui, la puissance éolienne installée en Europe croît de 30 % par an ; cette hausse est comparable à celle qu’a connue le nucléaire dans les années 1970. Ce fort développement est dû évidemment aux qualités environnementales de cette forme d’énergie, mais également à d’autres facteurs économiques : rapidité d’installation, prévisibilité du coût sur le long terme, indépendance énergétique, etc. La France a pris relativement tard le train de l’éolien, mais il est aujourd’hui clair que cette énergie sera incontournable pour que ce pays atteigne les objectifs de réduction de gaz à effet de serre qu’il s’est fixés. En 2020, si le programme éolien français est mené à bien (atteinte des objectifs du Grenelle), ce sont 16 millions de tonnes de dioxyde de carbone qui seront économisées annuellement, soit l’équivalent de 8 millions de voitures. Les éoliennes participeraient alors, proprement, à 10 % de notre consommation électrique.

8

Pour répondre à ce marché en forte croissance, la technologie éolienne a énormément évolué ces dernières années, permettant des rendements plus importants et une meilleure intégration dans les réseaux (où les éoliennes ne sont plus anecdotiques). Mais la technologie de l’éolienne ne fait pas tout le projet, et les étapes à franchir pour passer d’un site potentiel aux premiers électrons produits par un parc éolien sont nombreuses et périlleuses. Cet ouvrage permet de mieux comprendre la technologie et toutes les étapes nécessaires à la réalisation d’un projet. Il amène aussi à apprécier la technicité de tous les métiers et corps d’état qui interviennent pour transformer une idée et du vent en électricité renouvelable. Charles Dugué Consultant, 8.2 France Président de France énergie éolienne (association professionnelle regroupant les acteurs de l’éolien en France) Vice-président du Syndicat des énergies renouvelables Administrateur de l’Association européenne de l’énergie éolienne (EWEA)

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© LM Glasfiber

Par tie

1

Les fondamentaux de l’énergie éolienne Cette première partie traite des principes fondamentaux et des grandes lignes technologiques qui touchent à la transformation de l’énergie éolienne en électricité. Dans le chapitre 1, nous présenterons quelques lois politiques, économiques et humaines qui ont leur importance pour l’éolien, même si elles ne sont pas le centre de cet ouvrage dont le propos est avant tout technique. Ensuite seront abordées diverses lois physiques et mathématiques : le chapitre 2 réfère aux fondamentaux scientifiques, et le chapitre 3 à la technologie proprement dite.

Le guide de l’éolien, techniques et pratiques

Une énergie › particulière

1

En chinois, l’idéogramme représentant le mot « crise » est la composition de deux autres idéogrammes, le premier signifie « danger », et le second « opportunité ». John F. Kennedy Un défi mondial sans précédent est lancé aujourd’hui aussi bien sur le front des ressources énergétiques que sur celui du changement climatique. Dans ce contexte, l’énergie éolienne est réapparue et prend peu à peu une place qui n’est plus négligeable au niveau des réseaux électriques. Dans ce chapitre, nous évoquerons tout d’abord la place des principaux types de production d’électricité à ce jour, et celle de l’éolien de demain. Nous verrons de quelle façon ce dernier peut représenter l’un des outils pour contrer l’épuisement des ressources énergétiques mondiales, et pour participer à la lutte contre le changement climatique. Nous examinerons brièvement la question de l’intégration de l’éolien au réseau. Enfin, nous donnerons un aperçu de l’ensemble des corps d’études et de techniques dont relève une démarche « éolienne ».

Généralités sur l’énergie éolienne Le vent est une force de la nature expérimentée par l’Homme depuis les temps anciens, bien avant que ce dernier n’ait vraiment compris 12

Les fondamentaux de l’énergie éolienne

sa source physique et ses lois fondamentales. Les bateaux à voile, les cerfs-volants, les girouettes, les moulins à grains n’ont pas attendu les équations de Navier-Stockes ou les ordinateurs. Le vent est une source d’énergie propre, renouvelable quasi instantanément, et quasi infinie à l’échelle humaine et terrestre. Il doit ces caractéristiques à sa nature même : le vent naît de processus cycliques (rotation terrestre, convection chaud/froid, etc.) appliqués à l’atmosphère puis à l’air dans un contexte topographique défini.

D’où vient le vent ? Comme nous le verrons en chapitre 2, le vent est une masse d’air en mouvement dont le déplacement est provoqué par des différences de températures entre différents points de la Terre. Il y a de grandes convections bien connues des météorologues, et des convections plus locales dues à la topographie et aux effets de gradients thermiques locaux (en bord de mer par exemple). Certaines régions sont donc soumises à des vents plus ou moins violents de façon plus régulière que d’autres.

© Risø-DTU Wind Energy Division 2008

Fig. 1.1 – L’un des atlas mondiaux des moyennes annuelles de vitesses de vent (en m/s, à 10 m).

13

Le guide de l’éolien, techniques et pratiques

Les vallées, lorsque le vent souffle dans leur axe, peuvent aussi connaître des vents violents. Un des plus connus est le Mistral. Ce phénomène se retrouve également dans les déserts : les importantes différences de température qui apparaissent sont à l’origine de tempêtes de sable. De même, sur les océans, l’absence d’obstacle permet au vent d’atteindre des vitesses élevées et régulières. On citera aussi les zones des Westerlies (vent d’ouest) dans l’hémisphère Nord, les quarantièmes rugissants et les cinquantièmes hurlants dans l’hémisphère Sud.

© NASA/JPL

Fig. 1.2 – Les vents marins du monde, vus par la NASA.

Les différents moyens de production de l’électricité Le but est ici de resituer les ordres de grandeur des différentes sources d’énergie qui permettent de produire de l’électricité. Il ne s’agit donc pas de traiter de l’énergie en général, qui est un concept beaucoup plus large, englobant les énergies utilisées pour le transport, le chauffage (non électrique), la cuisson des aliments, etc.

14

Les fondamentaux de l’énergie éolienne

Quel que soit le monde de demain, une majeure partie des êtres humains consommera de l’électricité. Nous allons donc examiner les sources primaires de l’énergie électrique et leur durée de réserve estimée à ce jour.

Les chiffres clefs de la production d’électricité (IEA 2008) Il est parfois ardu de se représenter les ordres de grandeur dans le monde des chiffres de l’électricité. De plus, on peut trouver des valeurs très divergentes dans la presse. Les chiffres ci-après sont ceux fournis par l’IEA (ou AIE en français : Agence internationale de l’énergie). Il est aussi possible d’en trouver à l’IFP (Institut français du pétrole) ou bien auprès de RTE (Réseau de transport d’électricité) pour la France – ou leurs équivalents dans d’autres pays. Les chiffres sont toujours à considérer à une date donnée pour un cadre donné, ce particulièrement en matière d’éolien, qui est une technologie « jeune ». Sources primaires brutes de la production électrique mondiale en 2006 en gigawattheures (rappel : 1 GWh = 1 000 MWh = 1 000 000 kWh) Nucléaire

Hydro

Géothermie

Éolien / solaire

Tous combustibles fossiles

Cycles combinés et déchets

Monde

2 792 540

3 119 230

59 240

144 740

12 659 090 239 380

OCDE

2 355 570

1 361 520

38 090

129 120

6 445 940

204 760

436 970

1 757 720

21 160

15 620

6 213 140

34 620

Hors OCDE

L’IEA fournit régulièrement les détails de ces informations pour l’ensemble des pays de l’OCDE, et de temps à autre pour des pays hors zone OCDE.

15

Le guide de l’éolien, techniques et pratiques

L’OCDE

Fig. 1.3 – Les pays de l’OCDE.

L’OCDE, Organisation de coopération et de développement économique, comprend des pays aussi divers que la Corée du Sud, l’Australie, la France, les États-Unis… mais ni la Russie ni la Chine. Elle regroupe des pays au mode de vie occidental et – plus ou moins – libéral.

Les bouquets énergétiques nationaux varient considérablement d’un pays à l’autre. Sur la figure 1.4 sont représentés les bouquets énergétiques de cinq différents pays de l’OCDE. Il en ressort, entre autres, que le modèle français est une réelle exception en la matière. Fig. 1.4 – Bouquet énergétique de cinq pays ciblés, selon les données de l’IEA 2006, en gigawattheures par an. 1 200 000

1 000 000

Cycles combinés & déchets

800 000

Tous combustibles fossiles Éolien / solaire

600 000 Géothermie 400 000 Hydro 200 000 Nucléaire

16

ue

e

iq lg Be

Es

pa

gn

e an c Fr

ag m Al

le

Ja

po

ne

n

0

Les fondamentaux de l’énergie éolienne

Le graphique 1.5 permet quant à lui de visualiser ce que représente la production de ces pays en proportion de la production mondiale. Fig. 1.5 – Bouquets énergétiques globaux et comparés, selon les données de l’IEA (2006), en gigawattheures par an. 20 000 000 Cycles combinés & déchets

18 000 000 16 000 000

Tous combustibles fossiles

14 000 000

Éolien / solaire

12 000 000 10 000 000

Géothermie 8 000 000 6 000 000

Hydro

4 000 000 Nucléaire

2 000 000 0 Monde

OCDE

Hors Japon, France OCDE Allemagne, France, Espagne, Belgique

Cet aperçu du poids relatif des acteurs nationaux à l’échelle mondiale montre l’impact de leurs choix énergétiques : en l’occurrence, les cinq pays étudiés sont avant tout tournés vers les combustibles fossiles et le nucléaire. Les graphiques présentés dans la figure 1.6 mettent en évidence les différences substantielles des bouquets énergétiques de quatre de ces pays, qui ont pu être induites par leur propre politique.

17

Le guide de l’éolien, techniques et pratiques

Fig. 1.6 – Détail des bouquets énergétiques de la France, de l’Espagne, de l’Allemagne et du Japon, selon les données de l’IEA (2006).

France Éolien /solaire : 0,5 %

Énergies fossiles : 10 %

Espagne Cycle combiné et déchets : 1%

Cycle combiné et déchets : 1%

Nucléaire : 20 %

Hydro : 11 %

Hydro : 10 %

Énergies fossiles : 60 % Nucléaire : 78 %

Éolien /solaire : 9%

Allemagne

Japon

Cycle combiné et déchets : 4%

Cycle combiné et déchets : 2% Nucléaire : 28 % Nucléaire : 26 %

Énergies fossiles : 61 %

Hydro : 4% Éolien /solaire : 5%

Énergies fossiles : 61 %

Hydro : 9%

Éolien /solaire : 0,16 %

Ainsi, en 2006, la position de l’éolien dans ces bouquets variait de l’état de traces (France, Japon) à une proportion de 5 à presque 10 % (Allemagne, Espagne).

18

Les fondamentaux de l’énergie éolienne

Prospectives L’Allemagne est souvent citée en référence pour l’éolien car, avec un gisement en vent ordinaire, ce pays a réussi à atteindre 5 % de production électrique. Il n’apparaît donc pas techniquement impossible d’obtenir cette proportion de 5 % en moyenne mondiale – et peut-être même plus selon certains experts de la profession, par exemple ceux du GWEC (Global Wind Energy Council). Mais l’industrie éolienne pourrait-elle suivre telle une montée en puissance ? Le graphique 1.7 représente la progression des puissances installées en éolien sur les quinze dernières années. Le graphique 1.8 illustre les prévisions de l’EWEA (European Wind Energy Association) au niveau de l’Europe, qui n’est qu’un « petit » marché par rapport au marché potentiel mondial. Fig. 1.7 – Progression des puissances installées en éolien sur les 15 dernières années dans le monde. MW

100 000

93 678

90 000 80 000

74 390

70 000 59 467

60 000

47 489

50 000

39 363

40 000

31 412

30 000

24 544

10 000

2 900 3 450 4 800 6 115

17 684 13 450 7 584 9 842 Source : Eurobsv’ER

20 000

00 20 01 20 02 20 03 20 04 20 05 20 06 20 07

20

99

98

19

19

97

96

19

19

95

94

19

19

19

93

0

19

Le guide de l’éolien, techniques et pratiques

Fig. 1.8 – Prévisions des capacités installées et des productions éoliennes en Europe jusqu’à 2030. GW

250

800 700 600

200

500

150

400 300

100

200

50 2030

2028

2026

2024

2022

2020

2018

2016

2014

2012

2010

2008

2006

2004

2002

0

100 2000

Source : rapport PurePower 2008, EWEA.

TWh 900

Production d’électricité terrestre Production d’électricité off-shore Capacité cumulée terrestre Capacité cumulée off-shore

300

0

Selon le GWEC, les industriels seront capables de mettre sur le marché mondial 172 GW avant 2010 et 240 GW avant 2014. À leurs yeux, cette puissance installée arrivera à produire 450 TWh d’électrique, et représentera déjà 3 % de l’électricité mondiale en 2014, avec une croissance constante aux alentours des 25 %. Fig. 1.9 – Prospective de progression de la production éolienne mondiale par rapport à la demande électrique actuelle. 2 000 000 1 800 000 Éolien mondial installé actuel Prévision GWEC éolien mondial installé 5 % Énergie monde actuel 10 % Énergie monde actuel

1 600 000 1 400 000 1 200 000 1 000 000 800 000 600 000 400 000 200 000

20

2019

2017

2015

2013

2011

2009

2007

2005

2003

2001

1999

1997

1995

1993

0

Les fondamentaux de l’énergie éolienne

L’industrie éolienne semble donc capable de suivre, voire de mener, une progression supérieure à ce que les politiques énergétiques des différents pays pourraient viser.

Comparaison entre sources d’énergie et impact potentiel de l’éolien Il s’agit maintenant de comparer l’éolien et les autres sources d’énergie électrique. La liste ci-dessous donne les équivalences des 3 % d’éolien de 2014, soit environ 450 TWh annuels. Les chiffres donnés représentent donc les économies réalisées pour chaque type de ressource, en ordre de grandeur : 600 000 millions de tonnes de fioul (rendement 40 %) ; ou 900 000 millions de tonnes de charbon ; ■ ou 17 000 milliards de tonnes d’eau qui chutent de 100 m ; ■ ou 12 000 tonnes d’uranium (avec la technologie actuelle, mais il y aura des progrès) ; ■ ou un carré d’environ 150 x 150 km recouvert de cellules photovoltaïques (toujours avec la technologie actuelle), ce qui représente tout de même une surface presque équivalente à la région Languedoc-Roussillon. L’éolien ne représentera sûrement jamais, par la contrainte même de trouver du vent, une part prédominante du bouquet des sources électriques. Néanmoins, il possède des qualités non négligeables pour combattre les deux grands fléaux de notre siècle que sont la pénurie des ressources énergétiques fossiles et le changement climatique. ■ ■

Une de ses qualités est le dynamisme réactif du secteur, capable de mobiliser rapidement des installations qui produisent des quantités non négligeables de kilowattheures. De plus, l’éolien étant réapparu au même moment que la prise de conscience de la nécessité de préserver l’environnement, tous ses rouages internes intègrent les impératifs du développement durable. Enfin, l’autonomie en matière d’éolien est totalement assurée si chaque pays veille à ce qu’un transfert de savoir-faire soit réalisé entre l’industrie locale et les fabricants de turbines ou les grands groupes énergétiques.

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Le guide de l’éolien, techniques et pratiques

L’apport de l’éolien contre l’épuisement des ressources énergétiques Comme nous l’avons vu, l’éolien est loin de représenter une part majoritaire de la production électrique actuelle. Cependant, une évidence pragmatique est à souligner : quelle que soit la quantité d’électricité produite par un parc éolien, cette production est consommée par un consommateur d’électricité. Ce consommateur aurait-il cessé de consommer si l’électricité issue des éoliennes n’avait pas existé ? Il est probable que non. En l’absence d’éolienne, l’électricité qui aurait été consommée aurait-elle été majoritairement « renouvelable », c’est-à-dire issue « d’une source non menacée d’épuisement à l’échelle d’un siècle ou deux » ? Probablement non, compte tenu de l’état actuel des bouquets énergétiques des pays. À ce jour, aucune source n’est la panacée. Chacune d’elles peut néanmoins représenter une pièce du puzzle.

1. Source : extrait de veille technologique internationale de l’ambassade de France en Allemagne. Bulletin électronique: www.bulletinselectroniques.com/ actualites/51447.htm.

L’étude allemande kombikraftwerk menée par l’Institut des techniques solaires de production d’énergie (ISET) de l’université de Kassel1 Fig. 1.10 – Complémentarité instantanée des ressources électriques d’origine renouvelable – un projet pilote allemand. Solaire

Consommateur Prévisions

Puissances instantanées cumulées

Vent

Prévisions

Prévisions Commande

Biogaz

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Hydraulique

Les fondamentaux de l’énergie éolienne

Il s’agit d’un système décentralisé de production d’électricité à partir de sources d’énergies renouvelables réparties sur l’ensemble du territoire allemand, l’objectif affiché étant de couvrir, à terme, 100 % de la demande électrique nationale. Combinant différentes technologies de production et de stockage de l’énergie à partir de sources renouvelables (éolien, solaire, hydraulique et biogaz), ce système pilote innovant, raccordé au réseau électrique en août 2007, relie et régule 36 centrales isolées. Le système est capable de fournir de l’électricité 100 % renouvelable en continu, en fonction de la demande, de manière fiable et indépendante des conditions météorologiques. Le concept consiste à combiner de manière optimale les avantages de différentes sources d’énergies renouvelables (d’où son nom de Kombikraftwerk ou « centrale-combi ») : centrales hydroélectriques à pompe et centrales à biogaz sont utilisées pour compenser les fluctuations de l’éolien et du photovoltaïque. Le système permet par ailleurs de compenser les inégalités régionales en termes de ressources énergétiques. Comme le souligne Frank Asbeck, président de SolarWorld, dans un communiqué : « Ce projet pilote permet de répondre aux besoins annuels en électricité d’une petite ville comme Stade qui compte 12 000 foyers, soit de fournir 4,15 millions de kilowattsheures. Il montre ainsi en petit ce qui est possible en grand, une couverture totale (des besoins en électricité) grâce aux énergies renouvelables. » « Le Kombikraftwerk montre que les énergies renouvelables fournissent assez d’électricité, qu’elles sont régulables à tout moment, peuvent fonctionner en association et se compensent l’une l’autre via le réseau », a renchéri Ulrich Schmack, président de la société du même nom. Le système a été mis en place à la suite d’une demande de la chancelière fédérale lors du sommet allemand de l’énergie en avril 2006.2

En 2000, la consommation énergétique mondiale était d’environ une dizaine de Gtep (tep = tonne équivalent pétrole, 1 tep correspond à l’énergie produite par la combustion d’une tonne de pétrole). Les combustibles fossiles représentent environ 8 Gtep.

2. Pour plus d’informations (en allemand), consulter le site Internet du projet : www.kombikraftwerk.de.

De très nombreux scénarii énergétiques sont élaborés chaque année par des organismes spécialisés dans le domaine de l’énergie. Ces scénarios pour la demande d’énergie en 2050 vont de 15 à 25 Gtep. Ils se basent sur différents paramètres tels que la croissance économique, l’augmentation de la population mondiale, l’accès progressif à l’électricité des 1,6 milliard de personnes qui en sont encore privés, les besoins croissants des pays en voie de développement, mais aussi la mise en place de politiques d’économies d’énergie afin de protéger 23

Le guide de l’éolien, techniques et pratiques

l’environnement. Les incertitudes relatives à l’évolution de ces différents paramètres expliquent l’important écart entre les scénarios extrêmes. Des crises économiques et financières peuvent venir ralentir pendant un temps la tendance, des spéculations ou des choix politiques peuvent venir l’accélérer dans un autre sens, mais, quoi qu’il en soit, il est raisonnable de prévoir que d’ici le milieu du siècle, la demande énergétique aura doublé. Peut-être sommes-nous aujourd’hui à la croisée des chemins où s’impose la coopération entre les capacités de production des différentes spécialités énergétiques, assortie d’une diminution massive de nos consommations outrancières. Les grands pétroliers, l’IEA ou l’IFP, s’accordent maintenant enfin sur le fait que les ressources en pétrole, gaz et autres sources fossiles, y compris l’uranium, sont susceptibles d’atteindre le point où elles ne pourront plus satisfaire l’intégralité de la demande bien avant la fin du siècle. Les impacts économiques, politiques et financiers sont quant à eux attendus bien avant encore, et d’aucuns voient déjà beaucoup d’évènements de l’actualité comme des impacts précurseurs de ces échéances. Chaque État décide donc de sa stratégie énergétique en conséquence : cela peut aussi bien déboucher sur des efforts de financement de recherche pour l’efficacité énergétique, la fission nucléaire, et l’ensemble des énergies renouvelables, que sur des moyens militaires accrus pour « sécuriser » l’approvisionnement en ressources qui se raréfient. Mais, au niveau des particuliers, chacun est aussi en droit d’établir ses propres plans d’action (et son bulletin de vote) en vue d’un « monde énergétique » plus sain et plus stable pour ses enfants. L’éolien est alors l’une des sources d’énergie qui est à la portée de toute personne capable de comprendre les quelques rouages techniques présents dans cet ouvrage. L’une des forces de l’éolien est cette capacité de démultiplication. Devons-nous croire que la manière de vivre de nos sociétés industrialisées, comme celle des civilisations disparues des temps anciens, porte en elle les principes de sa propre destruction ? Trop de confort étouffe, trop de facilité sclérose. Tant que les consommateurs d’électricité restent dans la bonne conscience de bâtir un monde « tout confort » pour leurs enfants, en épuisant ainsi tout espoir pour ces mêmes enfants de pouvoir entretenir ce monde, l’éolien n’y pourra certes pas grand-chose. Cependant, ce qui est « sauvé » est sauvé.

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Les fondamentaux de l’énergie éolienne

Le rôle de l’éolien contre le changement climatique Les effets combinés de tous les gaz à effet de serre (CO2, méthane, ozone…) équivalent aujourd’hui à une augmentation de 50 % du CO2 depuis le XIXe siècle (dont 30 % rien que pour le seul CO2). Il a été constaté une corrélation forte entre la présence de gaz à effet de serre et la température moyenne à la surface de la Terre. Le GIEC (Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat) a été créé afin de suivre le phénomène et d’en étudier les ressorts. En effet, depuis 1860, la température moyenne a augmenté de 0,6 °C. Différents scénarios prospectifs prévoient que, d’ici 2100, cette température devrait encore augmenter entre 1,5 et 6 °C selon le type de scénario retenu (notamment si les filières énergétiques et les habitudes de consommation actuelles sont ou non modifiées). Cette augmentation considérable s’accompagnerait, en particulier, d’une montée du niveau des mers de 20 cm à 1 m. Si l’évolution du climat apparaît irréversible, il est possible de la ralentir en diminuant de manière significative les émissions de gaz à effet de serre. Les puits naturels de CO2 que sont les sols, les arbres et les océans ne seraient capables de résorber qu’un peu moins de la moitié de la production de CO2 d’origine humaine. Afin de stabiliser la concentration de CO2 à son niveau actuel, il faudrait donc réduire immédiatement de 50 à 70 % les émissions de ce gaz. Si cette réduction brutale est impossible, il est cependant urgent d’agir, car on se trouve face à un phénomène cumulatif. En effet, la durée de vie du gaz carbonique dans l’atmosphère étant de l’ordre du siècle, il faudra plusieurs générations pour obtenir la stabilisation des concentrations de CO2 à un niveau acceptable. Le CO2 est, entre autres, produit par la combustion de tous les combustibles fossiles : pétrole, gaz et charbon. Les rejets de CO2 sont environ deux fois plus importants pour le charbon que pour le gaz naturel, ceux liés au pétrole se situant entre les deux. Au début des années 2000, la répartition par secteur des émissions de CO2 dans le monde était la suivante : production électrique 39 %,

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Le guide de l’éolien, techniques et pratiques

transport 23 %, industrie 22 %, résidentiel 10 %, tertiaire 4 % et agriculture 2 %. Cette répartition est cependant très différente d’un pays à l’autre. Par exemple, en France, où seulement un dixième de l’électricité est produit à partir de combustibles fossiles, le secteur des transports est responsable de plus de 40 % du CO2 émis dans l’atmosphère. Fig. 1.11 – Répartition des 15,5 tonnes de CO2 émis par ménage et par an, selon l’Ademe. Transport des marchandises Déplacement des personnes

17 % 28 %

Industrie manufacturière, agriculture (hors chauffage)

24 % 18 % 9% 4%

Chauffage, ECS et électricité spécifique au travail

Chauffage des logements

Eau chaude, électricité spécifique domestique

La Terre s’en sortira sûrement car c’est un système physique qui s’autorégule. La question se pose plus au niveau des espèces, et notamment de l’espèce humaine, et de leur capacité d’adaptation dans le laps de temps requis. En 1997, le protocole de Kyoto a fixé comme objectif de réduire de 5,2 % les rejets de gaz à effet de serre du monde vers 2010 par rapport à 1990. L’Union européenne s’est engagée à une réduction de 8 % de ses émissions pour 2010, et chacun de ses membres

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Les fondamentaux de l’énergie éolienne

s’est vu attribuer son propre quota de réduction de ses émissions (en tenant compte des particularités de chaque pays). Plus de la moitié des pays s’y engageaient à réduire leurs émissions (Allemagne, Autriche, Belgique, Danemark, Italie, Luxembourg, Pays-Bas), certains pays devaient stabiliser leurs émissions (France, Finlande), tandis que d’autres sont autorisés à accroître leurs émissions (Grèce, Irlande, Portugal, Espagne, Suède). Ainsi, pour cesser à l’horizon 2050 d’augmenter la concentration de gaz carbonique présent dans l’atmosphère, il faudrait diviser par deux les émissions actuelles au niveau planétaire, et donc les diviser par 3 à 5 dans les pays développés. À en croire certains experts, il faudrait revenir à un mode de vie du même type que celui d’un Brésilien « moyen » aujourd’hui. Chacun peut faire son bilan carbone personnel sur le site Internet de l’Ademe… cela n’incite pas à l’optimisme. L’éolien, comme on l’a vu, ne résout rien tout seul ; il ne peut produire une énergie constante, rien ne garantit qu’il sera là à l’instant précis où l’on en aura besoin… Mais, en termes d’impact C02, ses qualités par rapport aux autres énergies sont importantes. En fonction de la qualité du vent du site où elle va être implantée, une éolienne compense en cinq à dix mois de service l’énergie qu’il a fallu pour la construire (usine, chantier, etc.). Peut-on trouver mieux ? ■ Une éolienne a une durée de vie de 20 ans en moyenne, soit 19 ans de production totalement propre d’un point de vue CO2, mais aussi sans polluants autres, sans déchets, sans radioactivité, quasiment sans impact sur la nature environnante – à comparer à la grosse hydraulique, par exemple. Même si cette source d’énergie est un peu plus chère que d’autres – et cela n’est pas toujours le cas –, cela vaut la peine d’étudier la question. ■

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Le guide de l’éolien, techniques et pratiques

3. Extrait d’un communiqué Internet de France énergie éolienne (branche éolienne du SER, Syndicat des énergies renouvelables).

L’énergie éolienne est effectivement variable… mais pas imprévisible3 La production d’électricité par les éoliennes dépend de la force du vent à un instant donné. Elle est par conséquent variable, mais pas imprévisible. Les sites éoliens sont sélectionnés à partir d’études approfondies (habituellement après l’évaluation du potentiel éolien du site à partir de mâts de mesure de vent) permettant de déterminer les caractéristiques de la ressource éolienne disponible, notamment sa puissance potentielle ainsi que son orientation à différentes périodes de la journée et de l’année. Ceci permet d’établir des prévisions du rendement exploitable, une information qui pourra être mise à disposition des gestionnaires du réseau d’électricité. Les prévisions de vent se sont considérablement améliorées ces dernières années, notamment grâce aux perfectionnements réalisés dans le domaine des prédictions météorologiques. Plus ces prévisions se rapprochent du temps réel, plus elles sont précises. En Allemagne, un système de gestion de la ressource éolienne, développé par l’Institut de recherche ISET, situé à Kassel, élabore des prévisions à 72 heures du niveau de production éolienne. Depuis 2001, la marge d’erreur dans les prévisions à la veille a été réduite à 6 % sur la totalité du parc éolien allemand. Pour des prévisions à 2 h, cette marge d’erreur est réduite à 2,5 %. (Source : Integrating Wind Energy into Public Power Supply Systems, German State of the Art, ISET.)

L’éolienne et le réseau 4. Ce bilan peut être consulté à l’adresse Internet suivante : www.rte-france.com/ htm/fr/mediatheque/ telecharge/bilan_ complet_2007.pdf.

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La plupart du temps, l’éolien et le réseau font même plutôt bon ménage, comme en témoigne le dernier bilan prévisionnel 2007 de RTE4. Quels sont les grands messages de ce bilan prévisionnel en ce qui concerne l’éolien ? D’une part, l’éolien est plutôt utile pour les moments de pics de consommation dus aux grands froids d’hiver, car en moyenne il y a autant de vent pendant ces périodes de froid que sur le reste de l’année (à la différence de l’hydraulique par exemple, qui voit sa production d’énergie baisser sur ces périodes).

Les fondamentaux de l’énergie éolienne

D’autre part, le foisonnement des parcs éoliens répartis sur le territoire compense globalement les variations aléatoires de production. Une des conclusions est ainsi que l’installation d’éoliennes réduit les besoins en centrales thermiques.

Faire face aux variations de l’éolien En France, l’équilibre instantané entre la consommation et la production est une des missions de RTE. L’équilibrage instantané est une tâche classique de tout gestionnaire de réseau. Les industriels ici, les communes là-bas, et, pour caricaturer quelque peu le propos, tous les particuliers qui mettent en route en même temps leur four juste avant un match de football, ou bien à la mi-temps : les sursauts de consommation que les réseaux doivent absorber sont quotidiens. Les gestionnaires de réseau ont l’expérience pour faire face à ces contraintes, et peuvent donc sans difficulté intégrer le facteur éolien. Ils demandent simplement d’être dans le circuit de décision/information des parcs et de pouvoir imposer les caractéristiques techniques qui leur sont nécessaires. Bien sûr, plus elles deviennent nombreuses et puissantes, importantes dans la production, plus la variabilité des éoliennes demande à être étudiée de près. C’est ce que des spécialistes de plusieurs bords ont fait. En bref, ils en ont conclu qu’avec un réseau dit « interconnecté » assez large (autrement dit, avec des maillages importants qui passent les frontières, ou du moins s’étendent à un ensemble important de sites de production), statistiquement les éoliennes s’équilibrent entre elles plutôt harmonieusement. Dans les faits, il s’agit surtout de relier des zones qui n’ont pas le même comportement en vent, c’est-à-dire où les vents dominants ne sont pas les mêmes. C’est possible en France, pays qui possède des régimes de vents variés (sud/nord, ouest/est…) et totalement décorrélés. C’est d’ailleurs aussi assez souvent le cas dès que l’on travaille sur des zones de trois à quatre pays limitrophes – mais il faut alors coopérer avec les pays voisins. Une autre piste pour faciliter la tâche du gestionnaire de réseau est bien sûr de travailler sur la prévision météorologique. Là encore rien d’impossible, et beaucoup de choses intéressantes à étudier…

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Le guide de l’éolien, techniques et pratiques

S’adapter à la production décentralisée La plupart des réseaux mondiaux n’ont pas été conçus pour voir apparaître des points d’injection d’électricité en des zones reculées. On trouve souvent les plus anciennes petites centrales sur les grandes urbanisations d’alors. Puis sont arrivées, par exemple en France, les centrales nucléaires, que l’on a placées avec la contrainte de trouver un cours d’eau suffisant pour le refroidissement, et, pour des raisons diverses, plutôt loin des urbanisations denses. De même, les centrales hydrauliques, telle celle de Manantali au Mali, se situent uniquement sur un grand fleuve avec un bon dénivelé. En somme, depuis le début de la production électrique, les réseaux se sont à chaque fois construits en « suivant », d’une part, les besoins dus à la multiplication et aux mouvements des consommateurs, et, d’autre part, les contraintes de construction des centrales de production devant faire face à ces nouveaux besoins. Même si, jusqu’à présent, le réseau a été très influencé par une structure de production très « centralisée », il a la capacité aujourd’hui de s’adapter à l’éolien, tout comme il s’est jadis adapté aux centrales à charbon, aux centrales nucléaires et aux centrales hydrauliques : c’est son rôle, techniquement parlant. Tout est question de proportion et de planification, et il semble normal que le gestionnaire du réseau se préoccupe de ces aspects.

Notions de réseaux isolés ou interconnectés et comportement par rapport à l’éolien On entend souvent parler d’« intégration » de l’éolien sur le réseau, ou de « taux de pénétration » admissible de l’éolien. Dans un premier temps, il s’agit ici de bien comprendre ces notions dans le cadre de ce que l’on appelle un « réseau isolé ». Un réseau isolé est, comme son nom l’indique, un réseau « fini » par rapport au cadre de référence dans lequel on travaille. Cette définition peut paraître compliquée (en général, on parle d’« un réseau non interconnecté avec un autre réseau »), mais elle illustre le fait que tout dépend de ce que l’on doit en faire. Par exemple, un réseau insulaire ou celui d’une oasis non relié au « reste du monde » par une ligne électrique est un réseau isolé. Un tel réseau ne dépasse pas a priori le niveau de tension qui est celui de la distribution électrique aux villages ou aux villes (de l’ordre des 20 kV dans la plupart des pays). 30

Les fondamentaux de l’énergie éolienne

En revanche, le réseau de distribution de la métropole française par exemple s’accompagne d’un réseau dit de « transport » qui va rejoindre d’autres réseaux de distribution. On monte alors la tension de manière à pouvoir parcourir plus de distance tout en limitant les pertes énergétiques par effet Joule5. Parfois les réseaux de transport (225 kV, 400 kV, et même 1 000 kV au Canada, car les distances sont aussi grandioses que le paysage…) passent les frontières (entre la France et l’Allemagne, l’Espagne…), voire des bras de mer (France-Angleterre, Espagne-Maroc…). Ce sont des réseaux très interconnectés.

5. C’est-à-dire en « chauffage » de câbles

L’insertion d’éoliennes dans un réseau isolé pose des problèmes plus contraignants que dans un grand réseau continental interconnecté. Nous l’avons vu, la puissance fournie par les éoliennes est par nature aléatoire : les variations des vents se traduisent par de fortes variations de la puissance fournie. Or ces variations de puissance sont susceptibles de provoquer également des variations de tension, et ce d’autant plus que le réseau est faible. En outre, aux conditions limites, lorsque le vent dépasse une certaine valeur (différente selon le type d’éolienne), l’éolienne se déconnecte du réseau, faisant passer sa puissance injectée directement de sa puissance maximale à zéro. Si la proportion de variation dépasse la proportion admissible « de conception » du réseau en termes de valeur autant qu’en termes de temps de réaction des appareils de coupure, le réseau isolé peut « tomber », ou du moins avoir un fonctionnement dégradé allant du simple vacillement de tension à la coupure. C’est pourquoi on dit souvent que lorsque la part de production de l’éolien commence à devenir importante dans un réseau isolé, il est nécessaire ou bien de disposer de batteries calibrées pour les variations de l’éolien, ou bien d’augmenter la réserve disponible sur les autres moyens de production (hydrauliques ou thermiques), qui savent avoir des réactions « rapides ». Mais cette contrainte n’a plus vraiment de sens dès que l’on n’est plus en réseau isolé. La variabilité de la production éolienne est alors limitée par le foisonnement de l’ensemble des éoliennes raccordées sur le territoire. En effet, comme nous l’avons vu, dès lors que les vents ne sont pas les mêmes sur l’ensemble du territoire considéré, les éoliennes ne fonctionnent pas toutes en même temps et les variations sont fortement pondérées. Un autre aspect souvent mis en avant est que certains types de turbines6 se protègent des incidents réseau en se déconnectant dans des temps courts inférieurs au « temps de réaction » des autres installations présentes sur le réseau, qui n’ont donc pas la réactivité pour compenser immédiatement cette variation. Ainsi, un court-circuit sur une ligne HTB, qui crée un creux de tension généralisé, peut provoquer un défaut qui va entraîner la

6. Voir chapitre 3, p. 98.

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Le guide de l’éolien, techniques et pratiques

déconnexion brutale de l’ensemble des éoliennes de ce type présentes sur ce réseau. Il y a des moyens de pallier cette situation, mais il faut en tenir compte dès la conception du parc et du raccordement. Ces contraintes incitent les gestionnaires de réseau isolé à limiter à environ 30 % le taux instantané de pénétration d’énergie aléatoire dans l’énergie totale injectée sur le réseau. Ils vont donc limiter la puissance totale installée en éolien, par exemple, à 30 % de la puissance instantanée minimale consommée sur le réseau.

Cas de l’éolien sur des réseaux interconnectés Que deviennent ces notions de limite de la part de l’énergie éolienne dans le cadre d’un réseau interconnecté aussi immense que celui de l’UCTE ?

7. www.ucte.org

L’UCTE, Union for the Coordination of Transmission of Electricity, est l’alliance des réseaux de transport d’électricité des pays interconnectés de l’Europe au sens étendu, puisqu’on y trouve aussi des liens vers la Turquie ou le Maroc. Le site Internet de l’UCTE7 est l’une des meilleures références qui soit pour trouver des chiffres et des statistiques intéressantes, du moins concernant l’Europe. On y retrouve les grands projets d’extension du réseau : il y a là de quoi être optimiste sur les possibilités de foisonnement à grande échelle. Les figures 1.12 et 1.13 illustrent ce que sont des réseaux interconnectés. La « problématique d’intégration » de l’éolien ne saurait y avoir le même sens que dans un réseau isolé. En effet, sur quelle production faudrait-il tabler la limite de 30 % ? Le vent n’a pas de frontières, les réseaux tendent eux aussi à ne plus en avoir. Il ne peut donc être rationnel de raisonner de manière nationale sur une question de proportion maximale de production dite « aléatoire ». On s’aperçoit ici, avec une once de philosophie, qu’il est techniquement possible de faire beaucoup pour l’autonomie de chaque nation en matière de ressource primaire, à condition qu’ensemble elles sachent dialoguer et coopérer avec leurs voisins. Autonomes et solidaires à la fois.

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Les fondamentaux de l’énergie éolienne

Jouer sur la complémentarité Puisqu’il est souvent reproché à l’éolien d’être inconstant, deux axes de recherche principaux s’imposent, particulièrement lorsque l’on est en réseau isolé : – quel moyen de stockage de l’énergie utiliser quand il y a du vent, pour pouvoir la restituer quand il n’y a plus de vent ? – quel processus complémentaire pourrait absorber les surplus ponctuels de production ? À la question du stockage, un certain nombre de réponses ont été apportées jusqu’à ce jour, nous n’en citerons qu’une seule : les batteries à circulation de flux ionique. Elles présentent l’avantage d’être très rapides en réaction, de haute capacité et moins polluantes que les batteries acides, mais ont le défaut d’être encore trop peu répandues pour parvenir à un prix accessible aux petits projets non subventionnés. Elles sont en outre assez volumineuses. À la question du processus complémentaire, il est bien sûr possible d’apporter une multitude de réponses. En voici une qui rejoint l’une des autres problématiques mondiales de notre temps : la pénurie d’eau douce. La désalinisation est en effet un processus qui se combine bien aux énergies variables dans la mesure où elle n’a pas d’impératif de quantité de flux minimal. Dans le cas d’un système éolien-désalinisation, la part désalinisation est là pour écrêter les pics de production de l’éolien et absorber l’ensemble des surplus : il est alors possible de concevoir des installations éoliennes beaucoup plus importantes, pour un même réseau isolé, et donc de subvenir à une proportion plus importante aussi de la consommation.

© UCTE.

Fig. 1.13 – Carte des grands flux européens.

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Le guide de l’éolien, techniques et pratiques

© UCTE.

Fig. 1.12 – Carte du réseau UCTE.

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Les fondamentaux de l’énergie éolienne

En quoi consiste l’éolien ? L’éolien n’est peut-être pas une panacée, mais il se révèle un outil de production d’électricité propre, renouvelable et rapide à mettre en œuvre. L’éolien a de plus la particularité d’éveiller la curiosité vis-à-vis de toutes sortes de sciences et de techniques. Les chapitres qui suivent aborderont petit à petit chacun de ces aspects, en essayant de rester le plus facile d’accès possible – sans toutefois aller jusqu’à des représentations trop simplistes, qui ont souvent tendance à dévoyer le sens profond des aspects scientifiques ou techniques abordés. Les concepts qui doivent être appréhendés le seront dans l’unique objectif d’obtenir une prévision hautement probable de l’énergie électrique qui sera injectée sur le réseau ou fournie au consommateur. Fig. 1.14 – Schéma des principes et des secteurs scientifi Schéma principe éolien et synthèse des ques secteurs scientifiques et technologiques impliqués dans l’éolien.et technologiques impliqués Lois de la mécanique des fluides

Représentation topographique Lois de l’aérodynamique Lois de la mécanique

Cl

im

at

ol

og

ie

Météorologie

Gé

olo

gie

Lois de mécanique des fluides Lois de thermodynamique Topographie cartographie Statistiques et modélisation mathématique

Énergie cinétique vent

Énergie mécanique rotor

Lois de l’électrique Lois de la thermodynamique

Science de l’environnement et du patrimoine

Statistiques et modélisation mathématique

Transmission mécanique

Énergie électrique

Électrotechnique

Automatismes et régulateur

Le guide de l’éolien, techniques et pratiques

La ressource › en vent

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Le vent, on ne le voit pas : on voit les branches qu’il remue, la poussière qu’il soulève. Mais le vent lui-même, personne ne l’a vu. Jean-Claude Carrière On ne voit pas le vent, mais on voit sa trace sur le milieu ambiant. Il y a sa trace instantanée : les branches qu’il agite, les tressautements impatients de l’anémomètre, le cri de la girouette, etc. Mais il y a surtout la trace qu’il laisse sur un paysage longtemps caressé : les arbres sculptés, les rochers érodés, etc. Autant de témoignages non seulement de sa force, mais également de sa constance, de ses excès, de ses tendances, bref, de ses caractéristiques propres, qui intéressent tant lorsqu’on souhaite exploiter cette ressource. Tout le monde côtoie le vent chaque jour, ce qui donne parfois l’impression de savoir exactement ce qu’il est et de le maîtriser. Ce chapitre montre que définir un vent de manière rationnelle n’est pas si simple. C’est justement parce que le vent n’est pas le même ici et à 200 m d’ici, ni le même maintenant et dans 10 secondes, que nous avons besoin d’en connaître les caractéristiques de manière plus approfondie, plus travaillée que la simple donnée instantanée ou la trompeuse impression d’ensemble. « Ah l’ciel s’effiloche à c’te soir. Ça va souffieu d’main. » La sagesse populaire prend grand soin des prévisions météorologiques. Et pour cause, le temps de demain, c’est la récolte d’après-demain. Mais les financiers d’aujourd’hui ont plus de difficultés à asseoir leurs stratégies de semences sur des dictons anciens. Il faudra des campagnes de mesures, de longs calculs et des corrélations croisées avant de les convaincre que notre ressource en vent sur les vingt prochaines années est peut-être plus fiable que les évaluations sur les cours du pétrole ou les autres placements boursiers sur cette même période (par 36

Les fondamentaux de l’énergie éolienne

exemple, le deuxième semestre 2008 enseigne beaucoup sur la fiabilité des prévisions financières mondiales). La première partie de ce chapitre va cerner ce qui nous intéresse dans le vent : son contenu énergétique. Il s’agira ensuite de caractériser le vent en un point d’une zone. Puis sera traité ce qu’il faut faire pour prédire le vent statistiquement en ce point donné, et nous étendrons cette prévision sur l’ensemble de la zone concernée. Enfin, nous en déduirons l’énergie électrique que l’on pourra statistiquement produire sur ce site ainsi que ses caractéristiques propres.

La ressource vent : son énergie et notre capacité à la capter Tout d’abord, oublions tous nos a priori sur le vent, et tentons de le redéfinir sous son angle physique simple. Le vent est une masse d’air en mouvement. Lorsque l’on a dit cela, il est déjà beaucoup moins impressionnant. « Une masse », « un mouvement » sont des éléments bien connus : E = ½.M.V2, beaucoup d’entre nous en ont encore un vague souvenir. Cette formule de l’énergie cinétique simple représente pourtant l’essentiel pour comprendre ce qui va particulièrement nous intéresser dans le vent. Continuons donc sur cette voie. Sachant que la puissance présente dans le vent durant le temps Δt en fonction de l’énergie s’exprime selon : E Pvent = Δt où Pvent est la puissance présente dans le vent durant le temps Δt. Et, en remarquant que la masse M de l’air qui passe en Δt à travers la surface A s’exprime en première approximation par : M = A × ρ ×V Δt 37

Le guide de l’éolien, techniques et pratiques

où A représente la surface du rotor que nous allons choisir, ρ la densité de l’air instantanée à l’endroit où sera l’éolienne. Alors, la puissance que l’on va capter est de la forme : 1 PCaptée = C p AρV 3 2 où Pcaptée est la puissance instantanée qui est captée « aérodynamiquement » par l’éolienne ; et Cp est un coefficient d’efficacité de transfert aérodynamique qui varie avec la vitesse d’entrée, Ventrée, qui n’a pas d’unité et qui va essentiellement dépendre de l’aérodynamisme des pales + rotor. Fig. 2.1 – Représentation d’une masse d’air qui « traverse » le rotor de l’éolienne.

Quelques précisions M/Δt (en g/s), la masse de l’air en mouvement qui passe à travers un disque de surface « A » (m2), arrivant à la vitesse de Ventrée (m/s), ressortant à la vitesse de Vsortie (m/s), et de densité « r » (g/m3) en ce point et durant Δt, est représentée par :

⎡V + Vsortie ⎤ M = A × ρ × ⎢ entrée ⎥ ⎣ ⎦ Δt 2 où A représente, par exemple, la surface de votre futur rotor (surface balayée par les pâles). Donc, selon la deuxième loi de Newton, la puissance captée se définit par :

Pcaptée =

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Enentrée – Ensortie Δt

Les fondamentaux de l’énergie éolienne

⎡V + Vsortie ⎤ Enentrée 1 2 = Aρ × ⎢ entrée ⎥ × Ventrée ⎣ ⎦ Δt 2 2 ⎡V Ensortie + Vsortie ⎤ 1 2 = Aρ × ⎢ entrée ⎥ × Vsortie ⎣ ⎦ Δt 2 2 donc

Pcaptée =

⎡V + Vsortie ⎤ ⎡ 2 1 2 Aρ × ⎢ entrée ⎥ × ⎣V – V ⎤⎦ ⎣ ⎦ 2 2 entrée

sortie

Arrêtons-nous un instant pour tenter de voir quel phénomène physique constitue une donnée mesurable physiquement. Ventrée semble mesurable puisque ce n’est pas une donnée « perturbée » par notre éolienne virtuelle. Vsortie va, quant à elle, dépendre beaucoup plus de notre éolienne. Nous allons donc faire en sorte de mettre d’un côté Ventrée, et de l’autre une formule compliquée que nous enfermerons dans un savant coefficient. Ainsi, tout devient beaucoup plus simple à exploiter. 2

Pcaptée =

⎤ ⎡ V 1 1⎡ V AρV 3 × ⎢1 + sortie ⎥ × ⎢1 – 2 2 2 ⎣ Ventrée ⎦ ⎢⎣ V

sortie

entrée

entrée

⎤ ⎥ ⎥ ⎦

On regroupe sous le coefficient

Cp =

2 ⎡ 1 ⎡ Vsortie ⎤ ⎢ V ⎢1 + ⎥ × 1– 2 2 ⎣ Ventrée ⎦ ⎢⎣ V

sortie

entrée

⎤ ⎥ ⎥ ⎦

Nous obtenons alors la très célèbre formule pilier de l’éolien :

PCaptée =

1 C AρVentrée 3 2 p

On voit au passage que Cp est une fonction de Vsortie/Ventrée et représente donc bien une faculté à « capter ». Le lecteur notera aussi une limite intéressante, déterminée par la loi de Betz, qui prouve que Cp maximal = 16/27, c’est-à-dire ~ 0,59. Au-delà de la belle formule, ceci signifie qu’il est physiquement impossible de récupérer plus de 59 % de l’énergie cinétique du vent avec une éolienne simple. Mais 59 % d’une ressource qui ne vous coûte que le moyen de la transformer, c’est beaucoup mieux que la quasi-totalité des autres ressources énergétiques. Si les thermiciens les plus aguerris rapprochent ce chiffre des contraintes engendrées par la loi de Carnot valable dans toutes transformations thermiques, ils verront que, au mieux, il est possible de récupérer 50 % de l’énergie de ce que l’on brûle ou vaporise, quelle que soit la nature de l’échauffement.

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Le guide de l’éolien, techniques et pratiques

Que signifie tout ceci, en termes simples ? la vitesse instantanée intervient au cube dans la puissance générée ; ■ la densité de l’air instantanée intervient elle aussi, mais au facteur 1 ; ■ la surface du rotor intervient, de même, au facteur 1. Nous venons de comprendre ici : ■

pourquoi les industriels qui fabriquent les éoliennes font des rotors (ensemble des pâles + leur point d’attache) de plus en plus grands ; ■ pourquoi ce n’est pas forcément en montagne que l’on trouve le plus de parcs éoliens (la densité de l’air diminue avec l’altitude, comme nous le verrons dans les paragraphes qui suivent) ; ■ pourquoi tant de personnes s’échinent à faire des mesures de vitesse de vent aussi précises. En effet, la question essentielle de l’éolien est que le vent en est le facteur le plus influent, mais aussi le plus « apparemment » variable, le plus « apparemment » capricieux, le plus « apparemment » imprévisible, et le plus intrinsèquement dépendant de son environnement topographique et saisonnier. ■

Mais méfions-nous des « apparences ». Dans les paragraphes qui suivent, nous tenterons de lever un à un les voiles du vent afin de mieux le comprendre.

Petites questions pour montrer l’importance de la vitesse du vent et de sa précision Toutes choses restant égales par ailleurs, que devient la puissance captable d’un site lorsque sa vitesse moyenne annuelle passe de 4 à 5 m/s (soit une augmentation de 25 %) ? La puissance est quasiment multipliée par 2… P (à 5 m/s) = P (à 4 m/s) x (1 + 0,25) 3, soit P (à 4 m/s) x (1,95). Quelle doit être la précision sur la vitesse moyenne du vent si on veut connaître la puissance captable avec une précision de 33 % ? Environ 10 %. Cela signifie, par exemple, que pour une vitesse moyenne de 5 m/s +/– 0,5 m/s, la production électrique peut varier de +/– 1/3 en moyenne… Quel être humain pourrait se vanter de déceler sans instrument une variation de 0,5 m/s dans une vitesse moyenne de vent ?

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Les fondamentaux de l’énergie éolienne

Caractériser l’énergie du vent en un point Nous allons ici nous attacher à décomposer les facteurs qui influent sur l’énergie du vent d’un point de vue physique, et à voir comment il nous est possible de les observer et de les analyser avant d’en tirer, peut-être, des conclusions. On parle couramment de « vitesse du vent ». Mais vitesse sur combien de temps ? Vitesse moyenne ? À quelle hauteur ? Comment échantillonner la mesure, pourquoi ainsi et pas autrement ? Plus que la vitesse, pour caractériser le vent, il s’agit de connaître son « comportement » : son profil directionnel, c’est-à-dire les tendances probabilistes de direction du vent, la répartition des vitesses de vent selon ces directions, la répartition des énergies selon ces directions ; ■ son profil de vitesse, c’est-à-dire les tendances probabilistes de vitesse, la loi de répartition de probabilité de ces vitesses, la vitesse la plus souvent rencontrée, le créneau des vitesses les plus souvent rencontrées, les vitesses extrêmes et les vitesses de rafale, etc. ■ les variations annuelles et journalières (horaires) des vitesses moyennes ; ■ son profil énergétique, qui découle du profil de vitesse. Nous aborderons également les notions de turbulence, d’écart-type et de gradient en hauteur. Nous commencerons même à présenter la notion de rugosité. ■

L’objectif Nous avons vu que la puissance captée dépend, au cubique, de la vitesse du vent. Mais cette puissance captée instantanément ne répond pas totalement à nos besoins : il s’agit de connaître l’énergie captée tout au long de l’année. L’énergie, même avant d’être sous forme d’électricité, est de la puissance que multiplie du temps. Ou plutôt, pour déjà commencer à voir la démarche se dessiner, c’est l’intégration des puissances instantanées durant un temps « T ».

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Fig. 2.2 – Schéma simple d’une courbe P (t) dont surface = E (t).

Puissance instantanée P(t)

Énergie durant un temps T

temps t durant un temps T

Les lois physiques et mathématiques qui régissent cette énergie sont connues. Il existe des logiciels qui modélisent ces lois, et notre objectif, à l’aide de ces logiciels, va être d’appréhender au mieux et avec le plus de précision possible cette énergie captée. Mais nous allons, au préalable, simplifier et dissocier les paramètres et leur manière de varier, afin d’en obtenir des représentations dont la justesse pourra être contrôlée. Il y a deux raisons majeures à ces exercices préalables. Quelle que soit la qualité du logiciel utilisé, si vous lui donnez des informations erronées, partielles ou brouillées par un autre facteur non cerné, il y a de fortes chances que les résultats soient aussi faux que les données de base. Il s’agit donc de vérifier dans un premier temps la qualité des données à entrer ■ Nous préparons par la même occasion l’étape suivante qui sera d’établir des prévisions à long terme. ■

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Ne pas confondre puissance et énergie Une ampoule de 100 W qui éclaire pendant 2 h coûte 100 W x 2 h = 200 Wh sur la facture d’électricité. Une éolienne de 1 MW qui « tourne » pendant 2 h produit… ? Difficile de connaître la réponse avant de lire le tableau de l’éolienne une fois en service. En revanche, un parc éolien d’une puissance installée de 20 MW peut avoir, selon les résultats des études de vent, une production moyenne annuelle estimée entre 20 000 MWh, dans des conditions peu favorables, et environ 80 000 MWh, pour une zone très porteuse. Cela équivaut à 20 MW x 4 000 h, ce qui signifie grossièrement que votre parc éolien fonctionne à son maximum de puissance pendant presque la moitié de l’année (rappelons que 1 an = 365 jours x 24 h, soit 8 760 h). Par conséquent, en éolien, on parle en énergie (sinon cela ne veut rien dire), et on ne peut pas la comparer directement avec celle d’autres sources ou de consommateurs. En France, l’usage est de parler en nombre d’heures équivalentes (c’est-à-dire en nombre d’heures de fonctionnement continu d’une source de la puissance du parc, pour fournir une même quantité d’énergie annuelle). On parle de « site de 2 000 Heq, de 3 000 Heq », ce qui signifie un site où les éoliennes fonctionneraient à leur maximum de puissance pendant 2 000 ou 3 000 Heq (et ne fonctionneraient pas du tout pendant les heures restantes de l’année). Évidemment, cela ne se passe pas ainsi en réalité : les éoliennes fonctionnent la plupart du temps au niveau du début de leur courbe de puissance, et plutôt rarement en mode « maximum ».

0,25 y

0

Densité de probabilité d’occurrence de cette vitesse de vent (sans unité)

5

Fig. 2.3 – Courbe de densité de probabilité d’occurrence d’une vitesse de vent (dite courbe « de Weibull »).

Courbe de Weibull type

10

15

x

20

Vitesse du vent en m/s

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Le guide de l’éolien, techniques et pratiques

Fig. 2.4 – Exemple de facteur de puissance type selon la vitesse du vent en entrée.

Facteur de puissance en % de la puissance maximum

100 %

facteur de puissance type

90 % 80 % 70 % 60 % 50 % 40 % 30 % 20 % 10 %

−5

5

−0,1

10 15 Vitesse de vent en m/s

20

25

30

D’autres pays préfèrent parler de facteur de charge, ce qui est l’équivalent : Facteur de charge = heures équivalentes annuelles/8760 h

Les méthodes d’acquisition des données Il y a deux manières principales d’obtenir les données que nous allons détailler dans les paragraphes ci-dessous : ■ ■

par la mesure physique ; par le calcul et la modélisation.

La méthode physique Lorsqu’on veut connaître la valeur d’une variable physique mesurable, le plus simple, a priori, est de la mesurer soi-même. Cette méthode consiste donc à mesurer chaque variable « mesurable » durant au minimum un cycle. En ce XXIe siècle, où tout doit être rapide, il va falloir être patient : dans le domaine de la météorologie, un cycle dure au minimum une année.

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Les lois de la nature La nature suit des cycles, auxquels l’homme ne peut rien changer (heureusement pour sa sauvegarde peut-être). La température au long de l’année a tendance à respecter des lois qui suivent le rythme des mouvements Soleil/Terre/Lune. Mais, à l’échelle « éolienne », on distingue deux rythmes majeurs influents : la journée de 24 h d’une part, et l’année de 365 jours, soit 12 mois, d’autre part. De plus, les vents peuvent dans certains lieux du monde suivre des rythmes particuliers à l’intérieur même des cycles classiques de l’année (par exemple, le partage entre l’harmattan et les alizés au Sénégal, les moussons d’Asie, etc.) ou de la journée (des brises marines sur la côte, ou certains vents en bordure de désert, sont le matin dans un sens et l’après-midi dans l’autre).

Les données sont enregistrées, triées, nettoyées de leurs erreurs, concaténées, et enfin analysées pour en faire ressortir les caractéristiques voulues. Celles-ci sont ensuite modélisées statistiquement et corrélées avec des sources extérieures en vue des prévisions à long terme. Enfin, elles sont intégrées en données d’entrée pour le modèle de terrain du site final. Aujourd’hui, pour mesurer l’ensemble des données utiles, on dispose de plusieurs types d’outils : les mâts de mesure équipés de girouettes, d’anémomètres, de thermomètre et/ou de baromètre et/ou d’hygromètre, etc. ; ■ les Sodars, qui sont des radars à effet Doppler sur les longueurs d’ondes sonores ; ■ les Lidars, qui sont des radars à effet Doppler sur les longueurs d’ondes de la lumière (laser). ■

Les mâts de mesure équipés Le mât et son instrumentation Il s’agit d’installer un mât équipé de l’ensemble des appareils qui mesureront les paramètres que nous souhaitons analyser. On choisit sa position de façon qu’elle reflète le mieux possible l’ensemble du terrain qui nous intéresse. On détermine sa hauteur en fonction des moyens dont on dispose bien sûr, mais idéalement selon la hauteur de l’éolienne que l’on pense installer et suivant la complexité du terrain et de l’environnement proche de notre implantation.

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Le type de mât (de forme treillis ou tubulaire, haubané ou autoportant, etc.) ainsi que sa fondation (de simples ancrages ou un massif béton) dépendent des moyens disponibles, mais surtout de la durée de mesure prévue, de la hauteur désirée, de l’emprise disponible au sol, et des conditions climatiques locales.

Fig. 2.5 Mât de mesure tubulaire de 50 m de haut (ici, NRG systems), équipé de quatre anémomètres sur trois hauteurs et de girouettes, d’un thermomètre et d’un feu de signalisation aviation autonome au sommet (ici Carmanah). 1. Celle des NCEP – National Centers for Environmental Predictions – couvre toute la surface terrestre.

Plusieurs anémomètres et girouettes à différentes hauteurs sont positionnés sur ce mât, ainsi qu’au minimum un capteur de température, et/ou un capteur de pression, et/ou un hygromètre, et enfin, un enregistreur et une cellule solaire qui alimente le tout. Un ou deux anémomètres (pour doubler l’information la plus capitale) et une girouette sont placés au point le plus haut du mât. Les autres anémomètres sont distribués à des niveaux inférieurs au bout d’un bras horizontal : en déportant les appareils de l’axe moyen des vents dominants, la perturbation du mât est minimisée. Il est donc important de connaître la direction dominante du vent avant d’équiper ce mât. Cela peut se réaliser empiriquement en interrogeant les locaux, en regardant la végétation. Ou de façon plus scientifique, en consultant les bases de données météo1, voire en achetant les données de la station météo la plus proche puis en réalisant une petite modélisation préliminaire de principe. Comme tous les instruments de mesure, les anémomètres et girouettes demandent une attention particulière quant à leur calibration. La plupart des fabricants ne sont pas équipés pour établir des certificats de calibration conformes aux standards et à la norme IEC 61400-1. Il faut alors veiller à faire recalibrer les instruments par un organisme certifié. En effet, beaucoup de banques ou d’organismes de financement demandent maintenant des contre-expertises qui nécessitent les certificats de calibration en plus des fichiers de données brutes. D’autre part ces valeurs d’étalonnage permettront par la suite d’améliorer la précision des modélisations.

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L’enregistreur L’enregistreur est monté à la base du mât de manière à rester accessible. Les données sont stockées dans une mémoire non volatile et récupérées soit par collecte directe soit par GSM, afin de les traiter et de les analyser régulièrement. Les paramètres enregistrés Les mesures sont transmises sous forme de signal analogique ou de compteur à l’enregistreur, qui les échantillonne à une certaine fréquence (par exemple 1 Hz). Tous ces échantillons ne sont pas enregistrés tels quels (cela formerait une quantité énorme de données) mais subissent un traitement statistique. Ainsi, une série de données enregistrées se présente généralement sous forme de tableau, dont chaque ligne correspond à un intervalle de 10 min avec les informations suivantes : la date ; l’heure ; ■ la vitesse moyenne de chaque anémomètre ; ■ l’écart-type de la vitesse de chaque anémomètre ; ■ la vitesse maximale rencontrée sur l’intervalle pour chaque anémomètre ; ■ la direction moyenne du vent à chaque hauteur ; ■ la température moyenne ; ■ parfois l’humidité relative ou la pression atmosphérique. ■ ■

Fig. 2.6 Enregistreur NRG systems.

L’exploitation des données brutes Les données collectées sont appelées « données brutes ». Elles sont la marque du réel détenteur de l’étude ; légalement, leur propriété est de la plus haute importance. Ces données brutes sont ensuite traitées de manière à déceler les erreurs grossières de mesure et les pannes temporaires, ou tout simplement les valeurs impossibles et/ou inexplicables. On élimine ces valeurs erronées afin de ne pas en perturber les moyennes. Ensuite,

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on vérifie la cohérence des sources : il n’y a aucune raison que les deux anémomètres supérieurs n’aient pas les mêmes tendances, par exemple. Puis, on calcule les caractéristiques du vent très exactement au point de mesure du mât. Les Sodars Les Sodars (SOnic Detection And Ranging) sont des radars basés sur l’effet Doppler qui mesurent en continu et de manière plutôt fiable, tout à la fois la vitesse du vent, sa direction, sa composante verticale, les turbulences, la structure de température et d’hygrométrie, et ceci sur des hauteurs allant de 15 à 5 000 m, selon le type d’antenne employée.

© Remtech

Ces mesures sont réalisées en émettant une impulsion acoustique forte dans la bande sonore et en enregistrant la dispersion de fréquence du signal reçu en écho. Ce décalage et étalement de fréquence de signal (appelé effet Doppler) ainsi que son intensité sont traités par de multiples voies de manière à obtenir bien plus d’informations que celles obtenues par des méthodes conventionnelles, telles que les mâts de mesure.

Fig. 2.7 Sodar Remtech.

Ces équipements sont utilisés aussi bien en aéronautique, en météorologie, en éolien ou dans les secteurs militaires. Ils demeurent encore un peu chers par rapport aux mâts de mesure (30 à 40 k€), et ont tendance à avoir un taux de données invalides plus important par temps pluvieux, neigeux, orageux et par ambiance acoustique chargée. Cependant leur facilité de mise en œuvre et leur discrétion en font des outils qui ne sont pas à négliger. Les Lidars : la Rolls Royce de l’appareil de mesure Tout comme les Sodars, les Lidars (Light Detection and Ranging) utilisent l’effet Doppler pour mesurer les vitesses et leurs caractéristiques. Mais, alors que la déformation des ondes sonores se notait « musicalement » en aiguës et graves, celle engendrée sur le faisceau laser est perçue dans les couleurs en retour.

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Ondes sonores et ondes lumineuses La différence entre une onde sonore et une onde lumineuse n’est qu’une question de fréquence. Les effets Doppler sont donc constatés de la même manière sur ces deux types d’ondes, mais à des fréquences différentes : là où le Sodar renvoie une information en termes de sons plus ou moins graves ou aigus qui décrivent les directions et les vitesses, le Lidar renvoie une diffraction du faisceau laser selon les couleurs de l’arc-en-ciel, que l’on décode de la même manière.

Fig. 2.8 Lidar Windcube en opération en Espagne.

© Leosphere

Plus précis et non perturbé par les ambiances sonores, le Lidar n’en demeure pas moins sensible à la pluie, au brouillard et aux divers éléments perturbants du monde « réel ». Beaucoup de progrès ont été faits cependant, et nous verrons certainement leur fiabilité s’améliorer à l’avenir. Par ailleurs, tout comme les Sodars, leur mise en œuvre sur le terrain et leur discrétion sont tout à fait appréciables. Mais leur domaine d’action commence à environ 100 m, et leur prix culmine vers 200 à 300 k€. Aujourd’hui, ils ne sont donc pas destinés à toutes les bourses ni tous les projets. Les méthodes de modélisation numérique Nous les détaillerons davantage dans lorsque nous traiterons de la modélisation du vent sur une zone2, puisque le cœur de leur modélisation intègre par définition la modélisation du terrain. Mais donnons déjà quelques explications à ce niveau.

2. Voir p. 67.

Aujourd’hui, à partir du moment où l’on dispose de données de mesures météorologiques de plus ou moins bonne qualité, qui portent sur les vents, les températures, les humidités relatives, en un point « pas trop éloigné » de celui qui nous intéresse, il est possible de modéliser ce « micro-climat » localement. Selon le degré d’exigence de précision et la qualité des données qu’il est possible d’obtenir de cette manière, suivant notre qualité de modélisation du territoire qui entoure ces deux points (notre site et le point d’acquisition des mesures météo), et compte tenu de la présence ou non d’effets locaux complexes (bord de mer, etc.), peut-être sauronsnous modéliser un mât de mesure totalement virtuel afin de poursuivre notre étude sur la base des caractéristiques ainsi obtenues.

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Le guide de l’éolien, techniques et pratiques

Dans certains pays, notamment en France, le service de météorologie nationale peut vendre des données de vents selon une grille de 2 ou 3 km de maillage, avec des valeurs toutes les 3 h. Dans d’autres, le maillage tend davantage vers 100 km, ce qui manque grandement de précision pour l’éolien. Les données de recalcul des vents de haute altitude (ou « vents globaux », plus aisés à appréhender par les météorologues que les vents locaux), ainsi que la couverture de mesures de vents de l’Organisation mondiale de la météorologie (OMM), peuvent aussi se révéler des sources intéressantes de données d’entrée. Avec les progrès scientifiques en la matière, et l’immense montée en puissance des capacités de calcul informatique, il ne semble pas impossible qu’un jour on puisse éviter la mesure physique, dans la majorité des cas, pour les élaborations d’atlas de ressource en vents. Quant à l’évaluation du vent local pour chaque projet particulier, ces mêmes progrès contribueront à réduire le temps nécessaire aux mesures physiques, mais ils ne pourront certainement pas les remplacer totalement. Les données physiques qui caractérisent le vent Nous allons donc ici nous intéresser : à la vitesse mesurée (qui correspond à la vitesse moyenne sur 10 mn), à l’écart-type qui donne une représentation des « turbulences », et à la variation du vent sur la hauteur ; ■ au profil des vitesses du vent (lois de Weibull et de Rayleigh), aux rapports mathématiques existant entre les paramètres de la loi de Weibull, et aux vitesses moyennes, maximales et de rafale ; ■ à la rose des vents ; ■ à la vitesse moyenne, à la vitesse maximale et à la vitesse de rafale ; ■ et aux variations annuelles et variations journalières. ■

La vitesse mesurée, les turbulences et le gradient de hauteur Comment appréhender la valeur d’un paramètre qui change en permanence, et qui varie sur plusieurs gammes de fréquences de surcroît ? On sait qu’une mesure n’est pas « instantanée » mais se fait sur un temps T. La valeur mesurée (pour nous ici, la vitesse du vent) sera donc : 1 t +T VT (t 0 ) = VTx (t 0 ) = ∫ T 2 Vx (t 0 ) dt T t − 2 0

0

où x est la composante de la direction moyenne du vent sur la période considérée. 50

Les fondamentaux de l’énergie éolienne

Dans tous les cas, si nous voulons utiliser une donnée, il nous faut un intervalle d’acquisition. Nous devons déterminer un intervalle sur lequel la donnée sera le moins perturbée par des variations aléatoires non efficaces en énergie. Examinons les résultats d’un anémomètre sur une très longue période. On observe une sorte de loi de distribution des fréquences de variation qui ressemble à la courbe reproduite sur la figure 2.9. Fig. 2.9 – Distribution des fréquences de variation du vent. Fréquence x spectre d’énergie en (m/s)2

4 jours

1 minute une demi-journée

5 secondes

10-3

2 10-3

5 10-3

Périodicité de fluctuation en heure/cycle

0.01

0.02

0.05

10 5 2 1 0.5 0.2 0.1

100

1 000

1 heure

Cela amène aux conclusions suivantes. On constate un écart très net qui sépare les variations turbulentes du vent qui sont en dessous de la minute et les variations journalières. Et particulièrement, entre la période de 10 min et celle de 5 h, le contenu énergétique du vent atteint un de ses minima. On peut par conséquent être à peu près assurés que, en moyenne, les turbulences de fréquence inférieure s’y compensent. ■ Si l’on se positionne sur un rythme de moyenne de 10 min, tout en obtenant un bon échantillonnage par rapport à l’ordre de grandeur de 24 h, les données sont moins erratiques puisque l’on se situe dans la « période creuse » en variations. La mesure est donc plus fiable, et l’on peut obtenir une séquence d’apparence presque continue qui représente bien la valeur de la vitesse du vent de l’intervalle de temps. ■

51

Le guide de l’éolien, techniques et pratiques

Fig. 2.10 – Représentation des variations de vitesse du vent sur 24 h, puis sur 120 min, et courbe des vitesses moyennes sur 10 min. 20

A

V (m/s)

15 10 5 0

2

4

6

8

10 12 14 Temps en heures

17

V (m/s)

16

16

18

20

22

24 B

en bleu: courbe des valeurs instantanées

ZOOM

15 14 13 0

en gris: courbe des valeurs moyennes sur 10 mn 40

20

60 80 Temps en minutes

100

120

Cependant, une bonne partie des appareils électroniques, électriques ou de contrôle, qui viennent juste derrière la transmission mécanique, ont des réponses bien en dessous des 10 min. Il est alors nécessaire d’obtenir une autre donnée en sortie des appareils de mesure, afin d’appréhender l’influence de l’écart entre la moyenne 10 min et la réalité. Il s’agit de l’écart-type « σ », dont les composantes sont : 2

σTx (t 0 ) =

1 t +T 2 V (t ) − VT (t 0 ) dt ∫ T t −T 2 x

σTy (t 0 ) =

1 t +T 2 V (t ) dt ∫ T t −T 2 y

0

0

0

0

(

(

)

2

)

2

1 t +T 2 V (t ) dt ∫ T t −T 2 z où y et z sont les composantes perpendiculaires à la direction moyenne du vent sur la période. σTz (t 0 ) =

0

0

(

)

Cet écart-type est une représentation des turbulences qui font du « bruit » autour du signal. 52

Les fondamentaux de l’énergie éolienne

La composante horizontale σT (t) est celle qui est mesurée par les anémomètres placés « normalement » sur le mât de mesure. Par approximation, on estime qu’elle rejoint la plupart du temps le σTx (t) de la formule. Mais il n’est pas difficile d’imaginer que, dans certains environnements avec beaucoup d’obstacles et de perturbations, cette composante horizontale ne représente que la projection d’un vecteur sur l’horizontale. C’est pourquoi la norme IEC 61400-1 définit des règles « simplificatrices » de prise en compte de ces écarts types en fonction de la vitesse mesurée (moyenne 10 min), pour un fonctionnement « normal ». Il s’agit de dessiner sur un graphe l’ensemble des points correspondants aux mesures 10 min, avec en ordonnée l’indice de turbulence calculé à partir du rapport entre l’écart-type et la vitesse mesurée, et en abscisse cette même vitesse. Fig. 2.11 – Détermination de l’indice de turbulence des mesures à 50 m. Indice de turbulence

0,700 0,600 0,500 0,400

IA

0,300 0,200 IB

0,100 0,000 3,000

5,000

7,000 9,000 11,000 13,000 15,000 17,000 19,000 Vitesse moyenne 10 mn (m/s)

Il suffit alors de vérifier que l’on peut considérer être dans ce mode de fonctionnement « normal » en comparant les relevés des écarts types enregistrés par tranche de 10 min avec ceux indiqués par la norme. Si tel n’est pas le cas, on peut ajouter des anémomètres placés de manière à récolter la composante verticale, comme expliqué plus haut. Un autre facteur important doit être pris en compte car, en général et pour diverses raisons, les mesures ne sont pas prises à la hauteur où il faudrait idéalement le faire, c’est-à-dire à la hauteur du futur moyeu de l’éolienne. Or, une loi simple régit le profil vertical « normal » du vent : α ⎡H ⎤ V = V0 ⎢ ⎥ ⎣H 0 ⎦ où α est un coefficient dit de « rugosité » qui varie en général entre 0,1 et 0,4 selon la rugosité du sol, et sur lequel nous reviendrons3. Si l’on ne dispose pas d’informations particulières, la norme IEC-61400-1 conseille d’appliquer un coefficient 0,2, ce qui correspond à une rugosité de 0,10 m approximativement.

3. Voir Prédire le vent sur une zone, p. 64

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Le guide de l’éolien, techniques et pratiques

Fig. 2.12 – Profil vertical du vent en vitesse et en direction.

Vg

z (m)

Des mesures prises durant 12 mois à plusieurs hauteurs permettent de se focaliser petit à petit sur la valeur de α en cet endroit précis. En résumé, les appareils doivent enregistrer durant 12 mois au moins : les vitesses toutes les 10 min ; les directions de vent toutes les 10 min ; ■ les écarts types toutes les 10 min. Ces mesures se font à trois hauteurs différentes de manière à bien appréhender notre profil vertical. ■ ■

Approfondissements : notions de stabilité thermodynamique Revenons sur quelques données pour comprendre plus précisément le vent. 54

Les fondamentaux de l’énergie éolienne

Afin de modéliser les phénomènes de flux aux abords de la surface, on considère qu’il y a une hauteur en dessous de laquelle le vent est nul, quelle que soit sa direction d’origine. Cette hauteur peut n’être que de quelques centièmes de millimètre, par exemple dans le cas d’une immense étendue glacée, ou monter à quelques mètres, notamment dans des villes. Mais ceci reste bien sûr une modélisation de la réalité destinée à évaluer le phénomène, sans plus. Les grands courants de vent géostrophiques (c’est-à-dire les grands courants globaux, de 100 m de la surface à 11 km du sol environ) sont causés par les variations thermiques induites par la différence d’angle des rayons du soleil sur les différentes régions de la Terre : le soleil réchauffe les régions équatoriales bien plus qu’il ne réchauffe les autres parties du globe. Ayant une densité plus faible que l’air froid, l’air chaud s’élève jusqu’à une altitude d’environ 10 km. Ensuite, il s’étend vers le nord et le sud. Si la Terre ne tournait pas, les courants d’air iraient jusqu’aux pôles Nord et Sud avant de redescendre (suite au refroidissement), puis de retourner à l’équateur. Mais la Terre tourne, ce qui complique un peu les choses. L’air s’élève à l’équateur, et s’étend vers le nord et le sud dans la haute atmosphère. Il se crée alors des zones de basses pressions au niveau du sol attirant des masses d’air du nord et du sud. Dans les deux hémisphères, à approximativement 30° de latitude, la force de Coriolis empêche les courants d’air de suivre le circuit décrit précédemment, et c’est ainsi qu’apparaissent les anticyclones (zones de hautes pressions). Aux deux pôles, des anticyclones se produisent suite au refroidissement de l’air. On peut donc constater que les vents géostrophiques sont plutôt bien connus de nos jours. On parle ainsi des vents « macro », qui influencent des régions sur environ 1 000 km. Puis, en se rapprochant, on rencontre les vents dits « méso », qui œuvrent sur 500 à 10 km, par exemple les vents marins ou ceux liés à des chaînes montagneuses entières. Enfin, on rencontre nos petits vents, les « micro », qui se laissent influencer par de simples collines ou vallons. Ces distinctions montrent qu’entre les grandes vitesses des très hautes altitudes et la vitesse « 0 » de l’arrivée sur la glace, sur le sable ou sur le brin d’herbe, il y a très certainement une

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Le guide de l’éolien, techniques et pratiques

loi physique que l’on peut exprimer. C’est la formule simplifiée typique du comportement du vent dans les couches superficielles terrestres : ⎡ ⎛ ⎤ H ⎞⎟ ⎥ + V = 2, 5 × u × ⎢ln ⎜⎜ Ψ ⎢⎣ ⎝ Hrugosité ⎟⎠ ⎥⎦ où V est la vitesse à la hauteur H, Hrugosité la hauteur de rugosité telle que définie plus haut, u une espèce de vitesse de friction turbulente (on ne la détaillera pas, mais elle s’exprime en fonction des σ de turbulences), et Ψ, la marque du mystère, qui représente l’instabilité thermodynamique de l’atmosphère en cette zone. Ce dernier paramètre, lorsqu’on simplifie le modèle en cas d’atmosphère « neutre », vaut zéro, ce qui a le mérite de simplifier le calcul – mais la plupart du temps, cela se révèle être une erreur. Bref, avec deux ou trois points de référence de mesure, la formule peut se simplifier et on obtient :

V (H ) = V (H 0 ) ×

⎛ ⎞ ln ⎜⎜ H ⎟⎟ ⎝ Hrugosité ⎠ ⎛H ⎞ ln ⎜⎜ 0 ⎟⎟ ⎝ Hrugosité ⎠

Ce qui, par une approximation qui simplifie encore plus, amène à la fameuse formule : ⎡H ⎤ V = V0 ⎢ ⎥ ⎣H 0 ⎦

a

où V et V0 sont respectivement la vitesse à la hauteur H et celle à la hauteur H0. La distribution statistique des vitesses du vent et les vitesses moyennes, maximales et de rafale Une autre grande caractéristique descriptive du vent est ce que l’on appelle la distribution des vitesses. Il s’agit de savoir, pour chaque vitesse moyenne sur 10 min, quelle est sa statistique d’occurrence, c’est-à-dire le pourcentage de fois où l’on va trouver cette vitesse, proportionnellement à l’ensemble. Par exemple, on peut avoir 12 % du temps une vitesse comprise entre 3 et 4 m/s, 15 % du temps une vitesse entre 5 et 6 m/s, etc.

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Les fondamentaux de l’énergie éolienne

Ces statistiques sont données par les mesures, mais il a été remarqué que ce type de statistiques répond toujours à une loi qui les fait se rapprocher d’une fonction dite « de Weibull », dont la densité de probabilité peut quasiment toujours être assimilée aux relevés réels de vents d’où qu’ils viennent. Cette fonction s’exprime par : ⎛ ⎛ ⎞ k⎞ V f (V ) = exp ⎜− ⎜ ⎟ ⎟ ⎜ ⎝A⎠ ⎟ ⎝ ⎠ où f (V) représente la fraction de temps durant laquelle la vitesse moyenne à 10 mn dépasse V, A est le facteur d’échelle (qui n’est pas la vitesse moyenne globale sur le temps de mesure, mais qui y est lié par une formule donnée dans l’encadré ci-après), et k est le facteur de forme (qui représente la variation des valeurs de vitesse autour de A). Mais le point intéressant n’est pas tant la fonction de Weibull ellemême que sa distribution, autrement dit sa densité de probabilité : df (V ) dV

k ⎛V ⎞ = ⎜ ⎟ A ⎝A⎠

⎛ ⎛ ⎞ k⎞ V exp ⎜− ⎜ ⎟ ⎟ ⎜ ⎝A⎠ ⎟ ⎝ ⎠

k −1

car cette formule donne la possibilité de la rapprocher facilement des mesures physiques4.

4. Via anémomètres, Sodars ou Lidars.

Relation entre la vitesse moyenne et le facteur d’échelle ⎛ 1⎞ V = A × Γ ⎜1+ ⎟ ⎝ k⎠ où Γ est la fonction complexe gamma telle que :

n! nz n → +∞ z ( z + 1)  ( z + n )

Γ ( z ) = lim

Rappelons que n ! est la factorielle de n (nombre entier positif), c’est-à-dire : n

n ! = Π i = 1× 2 × 3 ×  × (n – 1) × n i =1

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Le guide de l’éolien, techniques et pratiques 5. C’est-à-dire sur la vitesse au cube, en réalité, car cela se rapproche plus de notre sujet : l’énergie.

Sur la figure 2.13, les barres bleues représentent la distribution des vents mesurés à 50 m, et la courbe rouge correspond à la superposition de la loi de Weibull optimale ajustée sur un critère énergétique5.

Fig. 2.13 – Distribution du vent mesuré à 50 m.

16 % 14 % 12 % 10 % Mesures Weibull

8% 6% 4% 2% ,1 9 20 ,2 1 22 ,2 3 24 ,2 5

7

18

,1 16

,1

5

3 14

,1

9

,1 1

12

10

8,

7 6,

5 4,

3 2,

0, 1

0%

Dans cet exemple, les paramètres de la distribution de Weibull optimale que l’on obtient sont : A = 7,18 et k = 2,36. On entend aussi beaucoup parler de distribution de Rayleigh, car c’est la distribution recommandée par la norme IEC lorsqu’on ne sait rien d’autre sur un site, c’est-à-dire lorsqu’on fait des estimations grossières sans mesures et/ou sur des territoires très étendus. La distribution de Rayleigh n’est rien d’autre que la distribution de Weibull avec un facteur de forme k = 2. La rose des vents et la rose des énergies La rose des vents sert beaucoup dans l’analyse fine des vents du site, mais aussi dans le choix de la station météorologique de référence pour la corrélation. Il s’agit de diviser les directions de vent en 12 ou 16 secteurs, dans lesquels la distribution des vents est répercutée selon leur vitesse (il s’agit alors d’une rose des vents), ou selon leur énergie (vitesse au cube donc, il s’agit alors d’une rose des énergies). Cet outil très visuel est aussi intégré dans les nombreux logiciels experts qui aident à l’établissement des parcs éoliens.

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Les fondamentaux de l’énergie éolienne

Fig. 2.14 – Exemple de rose des vents. 20,00 % 15,00 % 10,00 % 5,00 %

V>10 m/s 6