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Éoliennes et énergie propre

Sciences expérimentales et technologie - français / cycle 3

Par Aurélie Bléau, adjointe technique principale de laboratoire

DOCUMENTS

Historique

DOC A Un moulin à vent. Gravure d’après un manuscrit anglais, vers 1340.

L’énergie du vent

DOC B Un anémomètre-girouette. 

L’implantation des éoliennes

DOC C Champ d’éoliennes dans une province du Québec.

Description d’une éolienne

DOC D Schéma d’une éolienne.

DOC E Intérieur de la nacelle.

Principes de fonctionnement d’une éolienne

DOC F Fonctionnement d’une éolienne. 

Parc offshore au Danemark

DOC G Parc offshore au Danemark

ANALYSES DES DOCUMENTS ET PISTES D’EXPLOITATIONS

Historique

Au Ve siècle av. J.-C. apparaissent en Asie les premiers aéromoteurs, et en Égypte les premiers moulins. Bien que leur technologie soit différente des nôtres, le principe en est le même : il s’agit de transformer de l’énergie éolienne en énergie mécanique, afin de pomper l’eau utilisée pour l’irrigation des terres cultivées, par exemple, ou pour écraser du grain. Il faut attendre le VIIe siècle pour qu’apparaissent en Europe les premiers moulins à vent et le XVIIe siècle pour que les premières éoliennes soient composées de quatre pales tournant autour d’un axe horizontal.
En 1802, lord Kelvin songe pour la première fois à transformer de l’énergie éolienne en énergie électrique. En 1850, les premiers aérogénérateurs voient le jour avec l’invention de la dynamo.
L’utilisation de cette énergie éolienne produit dès 1930 l’électricité utilisée dans des fermes pour l’éclairage, la recharge des batteries des radios, les pompes à eau des puits, l’alimentation des appareils électroménagers et des équipements agricoles.
Aujourd’hui, les éoliennes ne cessent de se perfectionner, après avoir connu un premier développement important pendant les deux guerres mondiales en raison des pénuries de charbon et de pétrole, puis un fléchissement lié au faible coût du pétrole dans les années 1960-1970. Depuis 1973, la forte augmentation du prix du baril de pétrole nécessite un accroissement de l’énergie éolienne, et les budgets correspondant à sa recherche et à son développement augmentent. • Proposer l’activité 1 dans TDC, « L’innovation technologique », n° 1018, 15 juin 2011, p. 37.

L’énergie du vent

Le vent est un flux d’air que l’on peut se représenter comme la grande roue d’une fête foraine : l’air chaud et léger monte, l’air froid et lourd descend. Son mouvement est circulaire et perpétuel : l’air monte et descend, il se réchauffe et se refroidit.
La vitesse du vent est mesurée à l’aide d’un instrument, l’anémomètre, qui est couplé à un enregistreur. La girouette sert à déterminer sa direction. Un vent est toujours décrit par sa vitesse et sa direction.
Il existe divers moyens d’évaluer la vitesse du vent sans la mesurer vraiment. On utilise alors des échelles dont la plus connue, l’échelle de Beaufort, graduée de 0 à 12, permet une estimation de sa vitesse selon ses effets sur l’environnement.
La plupart des éoliennes sont conçues pour fonctionner à partir d’une vitesse dite de démarrage, habituellement 3 ou 4 m/s. Leur fabrication prévoit un arrêt automatique à environ 25 m/s grâce à un système de freinage pour éviter un endommagement. • Proposer l’activité 2, p. 37.

L’implantation des éoliennes

Le choix de l’emplacement d’une éolienne est complexe et ne laisse pas de place au hasard : endroits dégagés comme la pleine mer, la montagne ou les champs. Ces zones font au préalable l’objet d’études précises : mesures, observations de la végétation ou même modélisations. En règle générale, les éoliennes sont utilisables quand la vitesse du vent est supérieure à une valeur comprise entre 10 et 20 km/h, sans toutefois atteindre des valeurs excessives qui conduiraient à sa destruction ou à la nécessité de la « débrayer » pour en limiter l’usure. • Proposer l’activité 2, p. 37.

Description d’une éolienne

Une éolienne est une machine qui utilise l’énergie cinétique fournie par le vent pour la transformer en énergie mécanique (dans le cas des éoliennes de pompage, par exemple) ou pour produire de l’électricité (dans le cas des aérogénérateurs). Cette force est exercée par le vent sur les pales d’une hélice qui est le seul élément en mouvement et qui constitue le point d’entrée de l’énergie apportée par le vent.

Une éolienne de type aérogénérateur est constituée essentiellement de quatre parties distinctes :

  • Le rotor, composé en général de trois pales, est entraîné par l’énergie du vent. Il est branché au système mécanique qui utilise l’énergie recueillie (génératrice).
  • La nacelle, montée au sommet du mât, abrite les composants mécaniques, électriques et électroniques nécessaires au fonctionnement de la machine. Elle peut tourner pour orienter la machine dans la bonne direction.
  • Le mât ou la tour, appelés aussi pylône, permet de placer le rotor à une hauteur suffisamment élevée pour optimiser son mouvement.
  • Les fondations soutiennent l’éolienne.

• Proposer l’activité 2, p. 37.

 

Principes de fonctionnement d’une éolienne

Quand le vent se lève, un automate commande aux moteurs d’orientation le placement des pales face au vent grâce à la girouette placée à l’arrière de la nacelle. Les trois pales sont entraînées par la force aérodynamique du vent. La production électrique est liée à la vitesse de ce dernier. À partir de 15 km/h, l’éolienne peut être couplée au réseau électrique.

Le rotor est relié à une machine tournante qui fabrique de l’électricité : la génératrice ou le générateur. Toutes les génératrices n’ont pas les mêmes besoins. Certaines nécessitent une vitesse constante très précise, tandis que d’autres admettent des variations. C’est à ce stade que l’énergie passe du mouvement (énergie cinétique) à l’électricité (énergie électrique).

Une connexion de qualité, qui offre toutes les garanties de sécurité au réseau, doit être établie. Il faut commencer par relever la tension de manière à atteindre celle du réseau à connecter, ce qui nécessite un transformateur élévateur de tension (redresseur) et les protections électriques associées (disjoncteur). Le redresseur permet de passer du courant alternatif au courant continu. Une partie du courant non utilisée immédiatement peut être stockée dans des batteries d’accumulation (stockage de l’énergie) qui délivrent le courant selon les besoins (augmentation ou diminution du vent). Ce système permet une régulation et la satisfaction de la demande.

L’onduleur permet de repasser d’un courant continu à un courant alternatif compatible avec le fonctionnement des appareils ménagers. Il permet de protéger les matériels électroniques contre les aléas électriques. Il fonctionne donc à l’inverse d’un redresseur.

L’ensemble des éoliennes doit ensuite être relié à un poste de regroupement par un réseau de câbles souterrains. Le dimensionnement et la nature des câbles influent sur la production d’énergie au compteur. En effet, plus la section est faible ou plus les distances parcourues sont importantes, plus les pertes sont élevées.

Enfin, ce poste de regroupement est relié au poste du réseau (ou poste de livraison), qui a pour rôle de regrouper les contributions des différentes éoliennes et de gérer les entrées et sorties de courant électrique entre le parc éolien et le réseau.

L’électricité rejoint le réseau électrique existant pour être distribuée dans les maisons aux alentours.

Toutes ces opérations sont entièrement automatisées et gérées grâce à des ordinateurs. • Proposer l’activité 2, p. 37.

Et demain ?

Les récents événements sismiques au Japon jettent une ombre sur l’énergie électrique produite par les centrales nucléaires. Ils vont accélérer sans aucun doute le développement des énergies renouvelables. Les réserves d’uranium risquent d’ailleurs d’être épuisées dans un siècle, tout comme les énergies fossiles dont fait partie le pétrole. Les centrales nucléaires devront donc être remplacées par d’autres systèmes de production d’électricité. De plus, il est plus rapide et plus facile d’implanter des parcs d’éoliennes que des centrales nucléaires. Il faut compter environ deux fois moins de temps (cinq ans pour un parc éolien contre dix ans pour une centrale nucléaire) entre les premières études et la mise en service.

L’éolien possède également des qualités non négligeables pour combattre l’autre fléau qu’est le changement climatique lié à l’effet de serre (émissions de CO2). Afin de pourvoir aux besoins en énergie toujours croissants, le prix de l’énergie (compétitivité) et la fiabilité des éoliennes seront déterminants. Produire avec de l’énergie éolienne 10 % de l’énergie consommée dans un pays ne semble plus utopique, puisque ce seuil est déjà atteint au Danemark (qui exploite le plus important parc éolien offshore du monde, Horns Rev 2, mis en service en 2009) et augmente dans les pays qui misent sur ce mode de production énergétique.
En dehors de la technologie qui reste toujours améliorable, il restera à régler le problème de cohabitation avec les protecteurs de la nature qui sont souvent réticents devant le gigantisme des projets éoliens.
Les parcs éoliens offshore, situés en pleine mer, ont beaucoup moins d’impact en termes de nuisance sonore et visuelle et pourraient être la solution. De plus, en mer, les surfaces disponibles sont très importantes, et la question de la place ne se pose pas comme sur terre. D’ailleurs, la Commission européenne a lancé un projet pour encourager le développement de l’éolien offshore et la construction de machines de très grande puissance (3 MW) avec des rotors de 80 à 100 m de diamètre, soit deux fois plus grand que ceux de la plupart des machines actuelles (600 kW, 40 m). • Proposer l’activité 2, p. 37.