III) L’énergie du vent

1) Qu’est ce que le vent ?

Le vent est un déplacement horizontal d'air produit par la force du gradient de pression.

Lorsqu'il existe une différence de pression entre deux points, l'air circule de l'endroit où la pression est la plus élevée vers l'endroit où elle est la moins élevée. Dans le langage des météorologues, on dit que l'air se déplace de la haute pression vers la basse pression.

Dans l'atmosphère, la force de pression atmosphérique pousse l'air de l'endroit où la pression au sol est la plus forte vers l'endroit où elle est la plus faible.

Il se produit donc un déplacement de l'air à partir des zones de haute pression (H) vers les zones de basse pression (B).
Tous les vents sont le résultat d'une différence de pression. Mais les causes des variations de pression peuvent être diverses.

Le vent circule du système de haute pression vers le système de basse pression, c'est-à-dire de l'anticyclone vers la dépression.

2) L’éolienne

A) Histoire.

Depuis l'Antiquité, les moulins à vent convertissent l'énergie éolienne en énergie mécanique (généralement utilisé pour moudre du grain). De nos jours, on trouve encore des éoliennes couplées à des pompes à eau, généralement utilisées pour irriguer des zones sèches, assécher des zones humides, ou abreuver le bétail.

B / principe de fonctionnement

• le mât permet de placer le rotor à une hauteur suffisante pour permettre son mouvement (nécessaire pour les éoliennes à axe horizontal) et/ou placer ce rotor à une hauteur lui permettant d'être entrainé par un vent plus fort et régulier qu'au niveau du sol. Le mât abrite généralement une partie des composants électriques et électroniques (modulateur, commande, multiplicateur, générateur, etc.)
• un rotor, composé de plusieurs pales (en général 3) et du nez de l'éolienne. Le rotor est entrainé par l'énergie du vent et peut être couplé directement ou indirectement à une pompe (cas des éoliennes de pompage) ou plus généralement à un générateur électrique. Le rotor est relié à la nacelle par le moyeu.
• une nacelle montée au sommet du mât et abritant les composants mécaniques et pneumatiques et certains composants électriques et électroniques nécessaires au fonctionnement de la machine
• dans le cas des éoliennes produisant de l'électricité, un poste de livraison situé à proximité du parc éolien permet de relier ce parc au réseau électrique pour y injecter l'intégralité de l'énergie produite.

Schéma d'une éolienne de type aérogénérateur

- Puissance récupérable

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

avec :
- masse volumique de l'air (environ 1,23 kg/m3 à 15 °C)
- vitesse du vent en m/s

Formule de Betz

La puissance récupérable est inférieure, puisque l'air doit conserver une énergie cinétique résiduelle pour qu'il subsiste un écoulement. Albert Betz a démontré que l'énergie récupérable était maximale lorsque :

Ceci a pour conséquence que la puissance maximale récupérable est :

Le rendement maximal théorique d'une éolienne est ainsi fixé à 16/27, soit 59,3 %. Ce chiffre ne prend pas en compte les pertes d'énergie occasionnées lors de la conversion de l'énergie mécanique du vent en énergie électrique.

Malheureusement les éoliennes ne peuvent pas être implanté n’importe où, en effet nous verrons qu’il leur faut un terrain propice ainsi qu’un vent idéal !

C/ Critères

L'efficacité d'une éolienne dépend de son emplacement. En effet, la puissance fournie augmente avec le cube de la vitesse du vent, raison pour laquelle les sites sont d'abord choisis en fonction de la vitesse et la fréquence des vents présents. Un site avec des vents d'environ 30 km/h de moyenne sera environ 8 fois plus productif qu'un autre site avec des vents de 15 km/h de moyenne. Une éolienne fonctionne d'autant mieux que les vents sont réguliers et fréquents.

Certains sites bien spécifiques augmentent la vitesse du vent et sont donc plus propices à une installation éolienne :

• L'effet tunnel ou effet Venturi: au niveau des cols, entre deux montagnes comme entre deux grands bâtiments, le vent est souvent plus fort. L'air est compressé entre les montagnes ou les bâtiments. Pour garder un débit d'air constant, la vitesse augmente donc considérablement. De plus, le vent garde généralement une direction constante. Ces lieux sont donc très appropriés pour les éoliennes. Ils sont cependant le plus souvent de surface restreinte et il est difficile d'y placer une grande quantité d'éoliennes
• La mer et les lacs sont aussi des emplacements de choix : il n'y a aucun obstacle au vent, et donc, même à basse altitude, les vents ont une vitesse plus importante et moins turbulents. La proximité d'une côte escarpée, en revanche, créera également des turbulences, usant prématurément certains composants mécaniques de l'éolienne.

Il y a aussi d’autres critères qui doivent être remplis pour qu'une éolienne puisse être implantée. Voilà une petite liste des plus importants

• La nature du sol : il doit être suffisamment résistant pour supporter les fondations de l'éolienne. Ce critère n'est pas déterminant car dans le cas d'un sol meuble, des pieux seront alors enfoncés sous les fondations de l'éolienne
• L'accessibilité du site (virages, pente, passage de ponts) nécessaire au transport des différents éléments de l'éolienne (pales, tour, nacelle) et des grues nécessaires à son montage. Cette contrainte peut limiter la puissance maximale installable par machine
• Même si les éoliennes de dernière génération sont relativement silencieuses, une étude de l'impact sonore sur les habitations est effectuée avant l'implantation des parcs éoliens. En fonction du résultat, cette implantation peut être modifiée afin de respecter la réglementation (émergence maximale de 5 dB(A) le jour et 3 dB(A) la nuit[5]). La distance entre les éoliennes et les habitations est généralement de 300 m. À environ 500 m, elles sont inaudibles ou très peu audibles et leur bruit est généralement couvert par le bruit du vent.

Nous allons voir que l’éolienne comporte de nombreux avantages que nous énumérerons et quelques inconvénients

D/ Avantages et inconvénients de l’éolienne

Les avantages

- L’énergie éolienne est une énergie renouvelable idéale puisqu’il s’agit d’une forme d’énergie indéfiniment durable et propre,
- elle ne nécessite aucun carburant ;
- elle ne crée pas de gaz à effet de serre (sauf si l'on considère que ce type d'énergie est intermittent et nécessite l'utilisation de centrales thermiques constamment au ralenti afin de réguler les variations imprévisibles de la production éolienne) ;
- chaque mégawatt-heure d’électricité produit par l’énergie éolienne aide à réduire de 0,8 à 0,9 tonne les émissions de CO2 rejetées chaque année par la production d’électricité d'origine thermique;
- elle ne produit pas de déchets toxiques ou radioactifs car elle est entièrement en métal et plastique;
- Ceux qui louent leurs terres pour permettre à une ou à des éoliennes de s’implanter reçoivent un paiement pour l’utilisation de leur terrain.
- une éolienne est en grande partie recyclable car construite en acier. Après son temps de fonctionnement (environ 20 ans) elle est entièrement démontable, on peut même si besoin retirer la fondation en béton. Elle n'aura laissé aucun produit contaminant autour d'elle et pourra être très facilement remplacée - Tout comme pour le panneau solaire, les gens qui achètent une éolienne peuvent revendre l’énergie qu’il en ont en surplus à EDF. Cela permet de ne gaspiller aucune énergie !!

Les Inconvénients

- l'énergie intermittente et imprévisible produite par l'éolien nécessite une régulation par des centrales thermiques, dont les inconvénients doivent être pris en considération.
- L'énergie éolienne excédentaire sert à amener l'eau dans un bassin surélevé. En cas de déficit d'énergie, cette réserve d'eau passe au travers de turbines productrices d'électricité.
- Les riverains déplorent le bruit9 des éoliennes : le bruit peut être d'origine mécanique ou d'origine aérodynamique. Mais par comparaison, les voitures produisent presque autant de bruit qu’une éolienne.
- des flash très puissants sont émis toutes les cinq secondes en haut des mats éoliens à la demande de l'aviation civile. Ces flashs peuvent faire une pollution lumineuse mais par rapport au lampadaire la lumière des éoliennes est vraiment négligeables ! Les craintes des riverains sont donc sans grande raison.

Nous pouvons dire en conclusion que les avantages sont très nombreux et que par opposition les craintes des habitans sont déplacés par rapport au défi de la Terre. Les éoliennes apporte et apporteront beaucoup pour enrayer le réchauffement climatique.

3) Économie mondiale de l’énergie éolienne

Des milliers d'éoliennes fonctionnent à l'heure actuelle dans diverses régions du monde, avec une capacité totale de plus de 73 900 MW, et l'Europe y prend part à 65 %.

Nous remarquons grâce à ce tableau que les prévisions nous permettent d’être optimiste : en effet la consommation devrait passer de73904 MW en 2007 à plus de 160000MW d’ici à fin 2010. En effet, ces chiffres peuvent nous rassurer car la puissance totale installée devrait plus que doubler. De plus, les éoliennes privées (par exemple pour un citoyen comme vous et moi) ne sont pas comptabilisées.

L’Allemagne est le principal producteur d'électricité éolienne avec 20 622 MW de puissance installée à la fin de l'année 2006. L'Espagne est le deuxième producteur mondial avec 11 615 MW. Fin 2006, les Etats-Unis avaient une puissance installée de 11 603 MW, en troisième position derrière l'Allemagne et l'Espagne. La France était en 2006 le 10e producteur d'énergie éolienne en Europe avec 1567 MW. Nous sommes donc très en retard pour un pays développé.

Autre raison d’espérer, la croissance de l’énergie éolienne : elle s’établit selon l'Observatoire des Énergies Renouvelables à 37,8 % par an en moyenne de 1993 jusqu'en 2002 dans l’Union Européene. Cette croissance a atteint 59% par an sur la même période pour la France, qui était largement en retard dans ce domaine.

Les pays du Nord doivent être un exemple pour nous : par exemple le Danemark est l'un des acteurs les plus importants ; en effet le pays produit environ 20 % de son électricité avec des éoliennes alors que les éoliennes produisent seulement 1 % de la production de l'électricité dans le monde.
D’ autres chiffres nous donnent raison : L'Allemagne , leader mondial dans cette filière , continue depuis 1999 à installer une moyenne de 2 GW de puissance supplémentaire par an . *L'Espagne , depuis 2002 , a adopté le rythme de l'Allemagne et développe sa puissance installée d'environ 2 GW par an également .

Les objectifs français sont aussi prometteurs : d’ici 2015, notre production d’énergie éolienne devrait plus que tripler.

TPE sur le réchauffement climatique, l'énergie solaire et les éoliennes
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