Blue Flower

Le législateur a obligé les gestionnaires de réseau d’acheter l’énergie issue des éoliennes quelles que soient les circonstances, et ce pour un prix fixé.

Ce seul point est perturbant : en effet, le prix du MWh est fonction du marché,  marché très fluctuant, poussé ou tiré soit par une demande abondante soit par une disponibilité réduite.

Le prix du MWh électrique est également fonction de l’utilité pour le gestionnaire : plus elle est stable et prévisible, mieux elle convient. Plus elle est souple et appelable à la demande mieux elle convient. Plus elle est apte à stabiliser le réseau mieux elle convient.

L’énergie éolienne correspond à l’ensemble de ses critères…. Mais du côté négatif : pas d’utilité, imprévisible, pas appelable à la demande, chère, sans aucune souplesse.

L’énergie éolienne tombe quant elle veut bien, ce qui a posé un nouveau problème aux gestionnaires des réseaux.

 

                                                            Evolution de la consommation et de la production éolienne en France en janvier 2010 (doc. RTE)

On constate que la consommation (en bleu) ne correspond nullement à la production éolienne (en rouge) Noter que les échelles sont différentes (30 / 1).

La différence doit être compensée par quelque chose, et ce quelque chose –dans l’état actuel de la technique- consomme des combustibles fossiles, utilisés dans de mauvaises conditions (installations ne travaillant pas au mieux des performances).

L’énergie électrique est produite à partir de diverses sources. Les énergies dites renouvelables fournissent environ 2 % de la consommation globale. (verifier 2%)

Chaque centrale de production, quelle qu’elle soit, est raccordée au réseau de distribution. Les consommateurs, à leur tour, y sont raccordés.

Dès lors, il est impossible d’être fourni en énergie « verte » à 100 %, sauf si le consommateur a sa propre production « verte » exclusive.

L’énergie électrique est une des formes les plus souples d’énergie ce qui lui donne son succès. Mais elle a un inconvénient : elle ne peut être stockée qu’en infime quantité (piles, batteries) ou à l’aide de gigantesque réservoir d’eau surélevés. Il est impératif de la produire au moment de sa consommation, ce qui nécessite un ajustement permanent.

La consommation de l’électricité varie d’heure en heure mais aussi de saison en saison.

 

                                                                           Variation quotidienne en juin de la consommation électrique belge (doc. Elia)

On remarque que cette consommation a un minimum (ici environ 7400 MW) et un maximum (ici 10500 MW).

Il faut donc disposer de moyens assurant le minimum de façon constante avec les moyens les plus économiques possibles, quitte à ce que ces moyens manquent de souplesse (peu de latitude de variation de régime). Cette base est assurée par les centrales de base.

La production des centrales dites « de base » (qui sont lentes à mettre en route et à ralentir) est d’environ 8 000 MW. On voit que cette production est excédentaire entre 01h00 et 6h00.

Il faut donc –impérativement- trouver un moyen pour utiliser cette énergie.

Des moyens sont utilisés pour stocker l’énergie excédentaire, mais pas sous forme d’électricité. C’est généralement le rôle des stations hydro-électriques, qui pompent de l’eau d’un réservoir bas vers un réservoir haut et qui utilisent ces masses d’eau à travers des turbines pour –plus tard- produire de l’électricité. Cette opération ne se fait pas sans pertes.

Pendant cette période, on procède au pompage : l’énergie excédentaire est utilisée pour faite tourner les pompes de la centrale de Coo et dans une moindre mesure celles du barrage de l’eau d’Heure. C’est pour cette raison aussi que des tarifs préférentiels sont proposés aux consommateurs, particuliers ou industriels consommant de l’énergie nuitamment.

C’est aussi pourquoi les autoroutes belges sont éclairées, l’énergie étant revendue à bas prix.

 

                                                                                                 Schéma d’une centrale nucléaire, utilisée en base

 

Coupe de la centrale de Coo : l’eau est pompée du réservoir bas vers le réservoir haut en utilisant l’énergie excédentaire en période creuse. La différence de niveau entre le bassin inférieur et le bassin supérieur est d’environ 300 m.

 A partir de 6h00, il faut mettre en route progressivement d’autres unités de production. On met en route d’abord les plus rentables, puis au fur et à mesure celles qui le sont de moins en moins, les unités moins performantes parce qu’utilisant un combustible plus difficile à manipuler, ou plus cher ou plus âgée, un peu comme un agriculteur qui se sert de ses machines les plus performantes pendant l’année et qui fait appel à tout ce qui roule en période de moisson.

 

                                                                                                    Schéma d’une centrale thermique classique

 

Figure : schéma d’une centrale TGV, le plus souple des moyens de production et aussi le moins générateur de CO2 comparé au fuel et au charbon (hormis les centrales nucléaires)

Les centrales les plus souples sont les centrales alimentées au gaz dites TGV.

Les centrales les moins performantes sont les centrales à charbon, hautement productrice de CO2.

Ces moyens de production ont tous des caractéristiques propres et ne sont donc pas complètement substituables : ils ont des applications bien déterminées.

La génération d’électricité n’utilise pas partout les mêmes moyens de production. Les moyens de production (« vecteurs » en jargon) sont différents d’une contrée à l’autre, c’est ce qu’on appelle le « mix » énergétique.

  • La Hollande, l’Allemagne et l’Italie par exemple sont dépourvues de centrales nucléaires.
  • La Hollande, le Danemark et la Belgique sont quasi dépourvues d’énergie hydraulique.
  • La France, l’Italie, la Suisse, la Norvège sont abondement pourvus de ressources hydrauliques, alors que le Danemark et la Hollande en sont dépourvus.

La production belge en 2006 se répartissait comme suit:

  • centrales nucléaires:                                                                54,5%

                                       (production stable depuis 1985, mais la part relative en légère baisse)

  • centrales thermiques au gaz:                                                     29,7% (part en augmentation)
  • centrales thermiques au charbon:                                              8 %
  • centrales thermiques au pétrole:                                               1,6%

                                                                    (presque plus utilisé pour la production d'électricité,

                                                                    mais essentiellement pour le transport et le chauffage)

  • centrales hydroélectriques (y compris pompage):                       1,2 %
  • éoliennes:                                                                              1,4% (part en augmentation)
  • biomasse :                                                                             3.6  % (solde)

Les centrales nucléaires fonctionnent donc en base et de manière régulière et quasi permanente, hors arrêts programmés.  Ainsi, le régime de marche des centrales nucléaires est difficile à modifier. Ces centrales produisent la plupart du temps à puissance maximale car la vitesse à laquelle on peut changer leur régime est très lente. En outre, si une centrale nucléaire est arrêtée brutalement, un phénomène particulier (empoisonnement Xénon) empêche son redémarrage. Au point de vue sécurité, c’est parfait, mais au point de vue production d’énergie c’est plus délicat.

Viennent ensuite les combustibles fossiles et enfin la « cogénération de qualité » c'est-à-dire la production combinée de chaleur (chauffage de bâtiments, chaleur pour usage industriel et d'électricité, conçue en fonction des besoins de chaleur du client, qui réalise une économie d'énergie par rapport à la production séparée des mêmes quantités de chaleur et d'électricité. On conçoit directement que ces centrales n’ont pas toujours la souplesse requise : s’il n’y a pas de besoin de chaleur, il n’y a pas de génération d’électricité.

Les centrales au charbon sont évitées, car fortement polluantes.

Les centrales les plus modernes sont du type « TGV » pour Turbine-Gaz-Vapeur, alimentées directement au gaz, avec un rendement très favorable (56 %), un coût d’investissement relativement peu élevé et une certaine souplesse de fonctionnement. Les chiffres suivants sont donnés pour fournir un ordre de grandeur de ce qu’on entend par « souplesse », qui se chiffre malgré tout en heures.

Elles peuvent augmenter leur puissance de 10 MW par minute (à partir d'un minimum de 20 MW), soit passer du ralenti au maximum en une demi-heure. Quant au démarrage à froid jusqu'à la puissance maximale, il faudra attendre 5 heures (soit 4 h 30 pour le "chauffage du moteur").

Puissance de production électrique installée en Belgique

La puissance maximum installée en Belgique (somme de la puissance de toutes les centrales) est de 15,5 GW :

  • Les éoliennes sur les sites off-shore distants de plus de 22 km de la Côte ont un potentiel immédiat de 3 GW.
  • Les centrales nucléaires (7 réacteurs) ont une puissance cumulée de 5,7 GW.
  • Des centrales modernes au charbon et au gaz ont une puissance totale en Belgique de 5 GW.
  • Des centrales utilisées occasionnellement ont une puissance de 2,5 GW. Ce sont de vieilles centrales peu performantes servant d’unités de réserve en cas de panne et de pointe de consommation. Elles fonctionnent peu de temps.
  • La puissance hydraulique des stations de pompage est de 1,3 GW (jusqu'à 4 heures).
  • De plus en plus, la Belgique importe de l'électricité de France, bénéficiant des bas prix du nucléaire (10% en 2009).
  •  Il faut avoir une puissance de backup équivalente à la puissance éolienne installée (La réduction du backup n'est que de 4 % pour 100 % d'éolien). Ces centrales (souvent TGV alimentées au gaz) servent au cas où il n’y a pas de vent du tout. Les éoliennes n’augmentent pas la puissance installée car elles peuvent être toutes indisponibles.

La Belgique consomme plus d’électricité qu’elle n’en produit et doit déjà importer environ 10% de celle-ci, alors qu’elle était exportatrice il y a 15 ans. L’importation est majoritairement issue de France et d’origine nucléaire (77 % de l’énergie électrique française est d’origine nucléaire).

 

Si on prend le risque d’utiliser les centrales thermiques à la fois comme réserve pour les grandes centrales et pour l'éolien, il n'est pas nécessaire de construire de nouvelles centrales comme backup à l'éolien tant que leur puissance est inférieure à celle des centrales TGV existantes. Au delà, et si ce risque n’est pas acceptable, la construction de nouvelles centrales est inéluctable.

 

                                                                    Evolution entre 1960 et 2001 de la consommation d’énergie électrique en Belgique

En 41 ans, la consommation a été multipliée par 5.5 !

Et l’éolien dans tout çà ?

On a vu que qu’entre 01h00 et 6h00 du matin, point de besoin : la production « incompressible » est déjà excédentaire.

Donc, s’il y a une production (du vent) pendant cette période, on ne sait rien en faire.

L’énergie éolienne intervient un peu comme une personne inattendue à un repas au restaurant. De même, cette même personne, ayant réservé dans ce restaurant, peut aussi ne pas se présenter.

 

Les pales ont un profil bien particulier qui permet à l’air en mouvement de glisser le long de sa surface. Ici, la pale se comporte comme un obstacle sur lequel le vent agit. En orientant plus ou moins cette pale par rapport au vent elle fait plus ou moins obstacle au vent. Il y a des limites bien précises à cette orientation.

 

Si le plan de la pale est parallèle à l’axe du vent, elle ne se comportera pas comme obstacle. Si elle est progressivement orientée, elle opposera de plus en plus de surface au vent.

 

La figure ci-dessus montre une simulation de la progression de l’air le long de la pale.

Il est très important de considérer les tourbillons qui se forment lorsque l’air quitte le bord et surtout en bout de pale. Si le profilage n’est pas très correct, si la pale est sale, si elle est couverte de givre, si son orientation par rapport à l’écoulement de l’air n’est pas correcte, des tourbillons vont s’y former et générer un bruit sourd, puissant, se propageant très loin. Ce bruit est souvent insignifiant à basse vitesse, se confond avec le bruit du vent à haute vitesse mais est très critique vers 7-8 m/s (entre 25 et 29 km/h).

 Comme ce bruit est généré par le vent, on ne peut l’entendre qu’à une certaine distance de la machine. Au pied, il est inaudible.

 

Vue de l’écoulement autour d’une pale. Le bruit –notamment- est généré par le décollement de la veine fluide à l’extrados (partie supérieure sur la vue). Le profilage et l’état de surface des pales est déterminant pour réduire voire supprimer ce phénomène.

Etant donné la surface balayée par le rotor (5281 m² soit 52.8 ares, soit le terrain occupé par une  propriété moyenne), le volume d’air qui est perturbé, qui donc porte l’énergie sonore, se propage loin et fort.

Si les rotors tournent lentement (de l’ordre de 16 tour /minute), La vitesse périphérique des pales est très importante (environ 280 km/h). Si le bord n’est pas profilé soigneusement et si le profil n’est pas maintenu en bon état, la génération de bruit importante sera au rendez-vous.

Les puissances sonores générées sont très importantes, sans commune mesure avec la puissance générée par la machinerie, mais dans une gamme de fréquence en général plus basse que le seuil d’audition, dans la gamme 16 -0.5 Hz. Ces ondes sonores sont désignées par le terme infra-sons et ont le défaut de ne pas être facilement amorties par l’environnement, comme le sont les ondes sonores issues de la nacelle.

Les constructeurs en sont parfaitement conscients, et des efforts importants sont portés à l’étude des profils, sans supprimer cependant le phénomène.

A l’aval de la machine, la pression atmosphérique a chuté, puisque une partie de l’énergie a été captée.

L’anémomètre-girouette fixé sur la nacelle enregistre la vitesse et la direction du vent.

La direction enregistrée par la girouette est transmise au système de giration qui positionne le rotor face au vent.

 

pitch : angle d’attaque                                  blades : pales

wind direction : direction du vent                   tower : mât

brake : frein                                                yaw drive : commande d’orientation

gear box : réducteur                                    generator : génératrice

low speed shaft : arbre basse vitesse            high speed shaft : arbre grande vitesse

wind vane : girouette                                  anemometer : anémomètre

L’anémomètre transmet ses informations de vitesse au système qui permet d’orienter les pales et les oriente selon le bon angle.

Si la vitesse du vent est suffisante, le rotor est entrainé.

La vitesse de rotation du rotor étant trop faible, son mouvement est transmis à un multiplicateur de vitesse qui est connecté à l’alternateur ou à la génératrice qui produira l’électricité.

A sa sortie, un transformateur (non représenté ici) et situé à la base de l’éolienne (dans le mât) élève la tension à la tension du réseau (typiquement 15 kV).

Si la vitesse du vent est trop importante, les pales sont orientées de telle manière que le vent n’ait plus d’influence et un frein est engagé.

Les équipements dans la nacelle génèrent eux aussi du bruit, mais dans une gamme de fréquence plus courante, dans le domaine audible. Les constructeurs donnent ces niveaux de bruit à 1 m de la nacelle, à hauteur de celle-ci.

Ce bruit, donné sur la fiche technique de la machine,  est typiquement de 100 dB(A) à 7 m/s et monte à 106.5 dB(A) à 12 m/s. Pour rappel, une augmentation de 3 dB indique un doublement de la puissance sonore. Entre 7 m/s et 12 m/s, la puissance sonore est donc multipliée par 4.

 

Niveau du bruit d’une éolienne lorsque la vitesse du vent est de 12 m/s -106.5 - dB (A) à 1 m. Niveau à distance « suffisante »

La puissance dégagée par une éolienne est une fonction du cube de la vitesse. Le rotor démarre lorsque la vitesse du vent est d’environ 3 m/s (10 km/h). Il faut l’arrêter lorsque la vitesse du vent atteint 25 m/s (90 km/h environ).

A 3 m/s (10 km/h), le rotor ne fait que tourner. Il ne communique aucune puissance. Il compense simplement ses pertes mécaniques.

 

Courbe typique d’une éolienne 3 MW. La vitesse de démarrage (puissance nulle) est de 3 m/s (10 km/h). La pleine puissance est obtenue pour 15 m/s (54  km/h). La machine esr volontairement arrêtée lorsque la vitesse atteint 25 m/s (90 km/h).

Selon la courbe, pour 5 m/s (18 km/h) la puissance générée est de 250 kW et pour 10 m/s (36 km/h) 1750 kW. Pour un doublement de la vitesse, on multiplie la puissance générée par 7 !

Les vitesses enregistrées sont déjà des moyennes et les pales, elles, reçoivent le vent instantané, souvent en rafales. En outre, la direction du vent peut changer, légèrement ou non. Dès lors, les valeurs indiquées sont des valeurs maximales.

L’orientation de la nacelle est une action commandée par l’anémonètre-girouette placé sur la nacelle. Si le vent change de direction, un moto-réducteur prenant appui sur une couronne dentée réoriente la nacelle pour que le disque d’hélice soit bien perpendiculaire au vent. Cette opération n’est pas instantanée et peut devoir se répéter souvent. Il y a perte tant que la machine n’est pas orientée correctement.

 

Le vent est loin d’être constant. On voit sur cet enregistrement anémométrique que même lorsque le vent est fort sa vitesse varie entre 8 et 18 m/s en l’espace de moins de deux minutes.

 

On voit ici que la puissance réellement générée subit évidemment aussi de très fortes variations : si on examine attentivement la puissance générée pendant les deux premières heures, on voit que la variation est très rapide (de l’ordre de 1200 kW en 10 minutes !).

Cette variation est terrible pour le réseau : il n’y a aucune possibilité de la compenser, ce qui se traduit par des perturbations (variation de la tension, variation de la fréquence).

Une éolienne est une machine électromécanique composée de divers éléments.

On commence par le pied de fondation en béton d’un diamètre d’environ 22 m enfouis dans le sol à une profondeur d’environ 4.5 m.

Il faut environ 460 m³ (1300 t) de béton et environ  58 t d’acier (125 kg /m³) pour le ferraillage pour assurer les fondations si le sol est convenable. Sinon, il est nécessaire de battre des pieux qui peuvent aller facilement jusqu’à 16 m de profondeur.

L’excavation nécessite le déplacement d’environ 2470 m³ de terre soit l’équivalent de 280 camions ou un cube de 13.6 m de côté.

 

Photo de l’excavation d’une éolienne de 3 MW à Leuze-en-Hainaut. Le diamètre de l’excavation a 28 m. Le fût au centre (4.2 m de diamètre) donne l’échelle. Ici, les fondations doivent être posées sur pieux, le sol étant de piètre qualité portante.

Sur les fondations est monté le mât métallique d’un diamètre de 4.2 m et d’une hauteur entre 80 et 100 m. Le mât a une épaisseur d’environ 35 mm et pèse environ 160 tonnes.

 

 

                              Transport d’une section de mât Le diamètre de celui-ci est limité par le gabarit routier. Il y a usuellement trois ou quatre sections assemblées bout à bout.

                                         La bride servant à assembler les différentes sections et bien visible.

Sur le mât est posée la nacelle placée à une hauteur entre 80 m et 100 m. Cette nacelle contient :

  • Le moyeu,
  • Le palier du moyeu,
  • L’arbre principal,
  • Le multiplicateur de vitesse,
  • L’alternateur ou la génératrice,
  • Les équipements électroniques de puissance,
  • Un système de giration permettant d’orienter le rotor face au vent.
  • De divers équipements de régulation, contrôle et télécommunication.

Le poids d’une nacelle équipée est de 93 tonnes environ.

 

                                                                                        Nacelles en cours de transport sur chantier (machines 2 MW)

Sur l’axe sortant du rotor est fixé le moyeu qui à son tour va recevoir les trois pales, terminant la machine. Le rotor est une pièce massive, très sollicitée mécaniquement. Il pèse environ 17 tonnes.

 

Rotor 2 MW en cours de montage au sol

Chaque pale a 50 m de long sur 4.2 m de large (41 m pour le Scaubecq). Chaque pale, réalisée généralement en fibre de carbone, pèse environ 9 à 11 tonnes.

 

Transport d’une pale pour éolienne 2 MW (celles du Scaubecq sont plus longues)

Une éolienne est une machine électromécanique composée de divers éléments.

On commence par le pied de fondation en béton d’un diamètre d’environ 22 m enfouis dans le sol à une profondeur d’environ 4.5 m.

Il faut environ 460 m³ (1300 t) de béton et environ  58 t d’acier (125 kg /m³) pour le ferraillage pour assurer les fondations si le sol est convenable. Sinon, il est nécessaire de battre des pieux qui peuvent aller facilement jusqu’à 16 m de profondeur.

L’excavation nécessite le déplacement d’environ 2470 m³ de terre soit l’équivalent de 280 camions ou un cube de 13.6 m de côté.

 Fondation eolienne

Photo de l’excavation d’une éolienne de 3 MW à Leuze-en-Hainaut. Le diamètre de l’excavation a 28 m. Le fût au centre (4.2 m de diamètre) donne l’échelle. Ici, les fondations doivent être posées sur pieux, le sol étant de piètre qualité portante.

Sur les fondations est monté le mât métallique d’un diamètre de 4.2 m et d’une hauteur entre 80 et 100 m. Le mât a une épaisseur d’environ 35 mm et pèse environ 160 tonnes.

Socle 

Transport1 

                              Transport d’une section de mât Le diamètre de celui-ci est limité par le gabarit routier. Il y a usuellement trois ou quatre sections assemblées bout à bout.

                                         La bride servant à assembler les différentes sections et bien visible.

Sur le mât est posée la nacelle placée à une hauteur entre 80 m et 100 m. Cette nacelle contient :

  • Le moyeu,
  • Le palier du moyeu,
  • L’arbre principal,
  • Le multiplicateur de vitesse,
  • L’alternateur ou la génératrice,
  • Les équipements électroniques de puissance,
  • Un système de giration permettant d’orienter le rotor face au vent.
  • De divers équipements de régulation, contrôle et télécommunication.

Le poids d’une nacelle équipée est de 93 tonnes environ.

 Nacelle

                                                                                        Nacelles en cours de transport sur chantier (machines 2 MW)

Sur l’axe sortant du rotor est fixé le moyeu qui à son tour va recevoir les trois pales, terminant la machine. Le rotor est une pièce massive, très sollicitée mécaniquement. Il pèse environ 17 tonnes.

 Rotor

Rotor 2 MW en cours de montage au sol

Chaque pale a 50 m de long sur 4.2 m de large (41 m pour le Scaubecq). Chaque pale, réalisée généralement en fibre de carbone, pèse environ 9 à 11 tonnes.

 Transport1

Transport d’une pale pour éolienne 2 MW (celles du Scaubecq sont plus longues)