Dossier : L’éolien, la force du vent

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L'éolienne, relais de la force du vent

Le vent est porteur d'une force motrice que l'homme utilise depuis longtemps. Pour la transformer en électricité, il fait appel à l'énergie éolienne. Grâce à ses composants de haute technologie, celle-ci se comporte comme une véritable centrale. 

L'éolienne, relais de la force du vent - juillet 2020
L'éolienne : une centrale électrique miniature

Le vent provient d'un réchauffement inégal de la surface de la Terre qui crée des zones de températures et de pressions différentes : les anticyclones et les dépressions. La pression cherchant naturellement à se rééquilibrer, des masses d'air se déplacent depuis les anticyclones vers les zones de dépression. Plus la dépression est importante, plus le vent est fort.

Cette force, l'homme l'a utilisée depuis longtemps pour pousser ses bateaux ou actionner des moulins. Aujourd'hui, grâce aux éoliennes, il la transforme en électricité.

Energie du vent, vitesse et surface balayée

90 km/h : vitesse maximale du vent que peut supporter une éolienne

Quelques principes régissent la conception des éoliennes :

Les installations offshore, au large des côtes (généralement à plus de 10 km), accueillent des éoliennes beaucoup plus grandes et puissantes. Elles sont souvent équipées de rotors autour de 180 mètres de diamètre et ont des puissances supérieures à 10 MW. En mai 2020, Siemens Gamesa Renewable Energy (SGRE) a même présenté une éolienne offshore avec un rotor de 222 mètres et d'une puissance allant jusqu'à 15 MW.

  • La puissance est proportionnelle à la surface balayée par les pales de l'éolienne, qui sont généralement au nombre de 3 et forment une hélice, ou rotor. Aujourd'hui, les éoliennes terrestres les plus courantes en Europe ont des rotors de l'ordre de 100 mètres de diamètre. Leur puissance est généralement entre 2 et 4 MW.​

Composition d'une éolienne : mât, rotor et nacelle

Les éoliennes se composent de trois pièces principales :

Le diamètre de l’hélice d’une éolienne géante peut couvrir entièrement un terrain de football.

Les éoliennes sont par ailleurs dotées d'un système qui permet :

  • d'orienter le rotor de l'éolienne perpendiculairement à la direction du vent de façon à capter le maximum de sa force motrice ;
  • de modifier l'angle d'incidence des pales par rapport au vent afin de maximiser la récupération d'énergie.

Grâce à ce système de supervision et de contrôle, l'éolienne peut être arrêtée automatiquement et très rapidement en cas de nécessité. La sécurité du fonctionnement est ainsi assurée en continu.

L’éolienne, une centrale électrique miniature

Pour démarrer, une éolienne a besoin d'une vitesse de vent minimale, de l'ordre de 10-15 kilomètres/heure. Mais l'éolienne a aussi une limite supérieure : 90 kilomètres/heure, parfois plus sur certains modèles récents. Cette limite répond à des objectifs de sécurité mais aussi de rentabilité : en tournant très vite, les pièces s'usent et se fragilisent alors que la production d'électricité ne connaît qu'un gain minime.

La vitesse de rotation du rotor (de 12 à 15 tours/minute) doit être augmentée par un système mécanique interne, le multiplicateur, qui permet d'atteindre environ 1 500 tours/minute, vitesse nécessaire au bon fonctionnement de l'alternateur.

Des convertisseurs électroniques de puissance ajustent la fréquence du courant produit par l'éolienne à celle du réseau électrique auquel elle est raccordée (50 hertz en Europe), tout en permettant au rotor de l'éolienne de tourner à vitesse variable en fonction du vent.

Le raccordement au réseau d’une éolienneLa tension de l'électricité produite par l'alternateur – de l'ordre de 600 à 1 000 volts – est élevée à travers un transformateur de puissance, situé dans la nacelle ou à l'intérieur du mât, jusqu'à un niveau de 20 000 ou 30 000 volts. Un tel niveau permet de véhiculer l'électricité jusqu'au point de raccordement au réseau électrique. Pour les centrales éoliennes de 10-15 mégawatts de capacité, le niveau de tension de raccordement est, en France, généralement de 20 000 volts. Pour les centrales de capacité plus importante, le niveau de tension de raccordement peut aller de 60 000 à 90 000 volts, voire 225 000 volts.