Comment fonctionne une éolienne ?

Vous êtes-vous déjà demandé comment fonctionne une éolienne ? Comment cette grande structure métallique peut-elle produire de l’électricité à partir du vent ? Quels sont les différents types d’éoliennes et quels sont leurs avantages et leurs inconvénients ?

Dans cet article, nous allons vous expliquer le fonctionnement d’une éolienne, ses principaux composants, ses impacts environnementaux et son rôle dans la transition énergétique.

 

 

Introduction à l’énergie éolienne

Définition de l’énergie éolienne

L’énergie éolienne est l’énergie produite par le vent. Le vent est le mouvement de l’air causé par les différences de pression atmosphérique entre les zones de la Terre. L’énergie éolienne est une forme d’énergie renouvelable, c’est-à-dire qu’elle est inépuisable et qu’elle ne produit pas de gaz à effet de serre ni de déchets radioactifs.

L’énergie éolienne est utilisée depuis des siècles pour faire fonctionner des moulins à vent, des pompes à eau ou des bateaux à voile. Aujourd’hui, elle est principalement exploitée pour produire de l’électricité grâce aux éoliennes.

 

Historique de l’énergie éolienne

Les premières traces d’utilisation du vent comme source d’énergie remontent à l’Antiquité, avec les voiliers des Égyptiens, des Phéniciens ou des Grecs. Les premiers moulins à vent sont apparus en Perse au VIIe siècle, puis se sont répandus en Europe et en Asie. Au XIXe siècle, les éoliennes ont commencé à être utilisées pour pomper de l’eau ou produire de l’hydrogène par électrolyse.

La première éolienne génératrice d’électricité a été construite par Charles Francis Brush en 1888 aux États-Unis. Le développement de l’énergie éolienne a connu un essor après la crise pétrolière des années 1970, qui a incité à rechercher des sources d’énergie alternatives et propres.

Depuis les années 2000, l’énergie éolienne connaît une croissance exponentielle dans le monde, grâce aux progrès technologiques, aux politiques de soutien et à la prise de conscience environnementale.

A savoir : si les contenus autour des énergies vous intéressent, découvrez notre article sur les avantages et les inconvénients des énergies nucléaires.

 

L’énergie éolienne dans le monde

Selon le rapport annuel 2020 du Global Wind Energy Council (GWEC), la capacité éolienne mondiale installée a atteint 743 GW fin 2020, soit une augmentation de 12,9 % par rapport à 2019. La Chine est le premier pays producteur d’électricité éolienne, avec 288 GW installés, suivie par les États-Unis (122 GW), l’Allemagne (60 GW), l’Inde (38 GW) et l’Espagne (27 GW).

La France se classe quant à elle au septième rang mondial, avec 17 GW installés. L’énergie éolienne représente environ 6 % de la production électrique mondiale et 15 % de la production électrique renouvelable. Le potentiel éolien mondial est estimé à plus de 1000 GW, ce qui permettrait de couvrir plus du quart de la demande électrique mondiale.

 

Les différents types d’éoliennes

Éoliennes terrestres

Les éoliennes terrestres sont celles qui sont installées sur la terre ferme. Elles sont généralement regroupées en parcs éoliens, qui peuvent compter de quelques dizaines à plusieurs centaines d’éoliennes. Les éoliennes terrestres ont une puissance unitaire variant de quelques kilowatts à plusieurs mégawatts.

Elles ont une hauteur moyenne de 80 mètres et un diamètre de rotor de 90 mètres. Les éoliennes terrestres ont l’avantage d’être moins coûteuses à installer et à entretenir que les éoliennes offshore. Elles ont cependant des contraintes liées à la disponibilité du vent, au bruit, au paysage et à la biodiversité.

 

Éoliennes offshore

Les éoliennes offshore sont celles qui sont installées en mer, sur des fondations fixes ou flottantes. Elles sont généralement situées à plusieurs kilomètres des côtes, où le vent est plus fort et plus régulier. Les éoliennes offshore ont une puissance unitaire plus élevée que les éoliennes terrestres, pouvant atteindre 10 MW.

Elles ont une hauteur moyenne de 100 mètres et un diamètre de rotor de 150 mètres. Les éoliennes offshore ont l’avantage d’avoir un impact visuel et sonore moindre que les éoliennes terrestres. Elles ont cependant des contraintes liées à la profondeur de l’eau, aux conditions météorologiques, à la corrosion et au raccordement au réseau électrique.

 

 

Structure et principaux composants d’une éolienne

Les ailes ou pales d’une éolienne

Les ailes ou pales d’une éolienne sont les éléments qui captent l’énergie du vent et la transmettent au rotor. Elles sont généralement au nombre de trois, mais il existe aussi des éoliennes à deux ou à une seule pale. Les pales sont fabriquées en matériaux composites, comme la fibre de verre ou la fibre de carbone, qui sont légères et résistantes.

Les pales ont une forme profilée, inspirée de celle des ailes d’avion, qui leur permet de créer une différence de pression entre le côté exposé au vent et le côté opposé. Cette différence de pression crée une force de portance qui fait tourner les pales autour de l’axe du rotor.

La tour ou le mât d’une éolienneLa tour ou le mât d’une éolienne est la structure qui soutient le rotor et la nacelle. Elle est généralement en acier ou en béton, et peut être tubulaire ou tronconique. La hauteur de la tour dépend du type d’éolienne, du site d’implantation et de la réglementation en vigueur.

Plus la tour est haute, plus le vent est fort et régulier, mais plus le coût de construction et de maintenance est élevé. La tour est fixée sur un socle en béton armé, qui assure la stabilité de l’éolienne face aux forces du vent.

 

La partie électrique d’une éolienne

La partie électrique d’une éolienne est située dans la nacelle, qui est le boîtier situé à l’extrémité de la tour. Elle comprend principalement un générateur, un transformateur, un système de contrôle et un système de freinage. Le générateur est l’élément qui transforme l’énergie mécanique du rotor en énergie électrique. Il peut être à courant continu ou à courant alternatif, selon le type d’éolienne.

Le transformateur est l’élément qui adapte la tension du courant électrique produit par le générateur pour qu’il puisse être injecté dans le réseau électrique. Le système de contrôle est l’élément qui assure le bon fonctionnement de l’éolienne, en régulant la vitesse de rotation du rotor, l’orientation des pales et la direction de la nacelle. Le système de freinage est l’élément qui permet d’arrêter l’éolienne en cas de vent trop fort ou de maintenance.

 

Principe de fonctionnement d’une éolienne

La rotation des pales

Le principe de fonctionnement d’une éolienne repose sur la conversion de l’énergie cinétique du vent en énergie mécanique, puis en énergie électrique. La première étape consiste à faire tourner les pales du rotor grâce à la force du vent.

Pour cela, les pales doivent être orientées perpendiculairement au sens du vent, ce qui est assuré par un système appelé girouette, qui mesure la direction du vent et fait pivoter la nacelle autour de la tour. Les pales doivent également avoir un angle optimal par rapport au vent, ce qui est assuré par un système appelé pas variable, qui modifie l’inclinaison des pales selon la vitesse du vent.

La vitesse de rotation du rotor dépend de plusieurs paramètres, comme la longueur des pales, la vitesse et la densité de l’air. La vitesse de rotation du rotor est généralement comprise entre 10 et 20 tours par minute, ce qui est assez faible pour limiter les nuisances sonores et les risques de collision avec les oiseaux.

 

La production d’électricité

La deuxième étape consiste à transformer l’énergie mécanique du rotor en énergie électrique grâce au générateur. Pour cela, le rotor est relié à un arbre qui transmet son mouvement à un multiplicateur de vitesse, qui augmente la vitesse de rotation de l’arbre jusqu’à plusieurs milliers de tours par minute. L’arbre entraîne ensuite le générateur, qui est composé d’un aimant et d’une bobine de fil électrique.

Lorsque l’aimant tourne, il crée un champ magnétique qui induit un courant électrique dans la bobine. Le courant électrique produit par le générateur peut être de deux types : du courant continu ou du courant alternatif. Le courant continu est un courant qui circule toujours dans le même sens, tandis que le courant alternatif est un courant qui change de sens à une fréquence régulière.

La plupart des éoliennes produisent du courant alternatif, car il est plus facile à transporter et à adapter que le courant continu.

 

L’adaptation de la tension d’électricité

La troisième étape consiste à adapter la tension du courant électrique produit par le générateur pour qu’il puisse être injecté dans le réseau électrique. Pour cela, le courant électrique passe par un transformateur, qui augmente ou diminue sa tension selon les besoins.

La tension du réseau électrique varie selon les pays, mais elle est généralement comprise entre 110 et 240 volts pour les usages domestiques, et entre 10 et 400 kilovolts pour les usages industriels. Le transformateur permet donc d’harmoniser la tension du courant électrique produit par l’éolienne avec celle du réseau électrique auquel elle est raccordée.

Le courant électrique passe ensuite par un onduleur, qui convertit le courant alternatif en courant continu si nécessaire, et par un dispositif de synchronisation, qui ajuste la fréquence et la phase du courant électrique pour qu’il soit compatible avec le réseau électrique.

 

 

Les impacts environnementaux d’une éolienne

Effets positifs des éoliennes

Les éoliennes ont des effets positifs sur l’environnement, car elles contribuent à réduire les émissions de gaz à effet de serre et la dépendance aux énergies fossiles. Selon une étude de l’Agence internationale de l’énergie (AIE), l’énergie éolienne a permis d’éviter l’émission de 1,1 milliard de tonnes de CO2 en 2020, soit l’équivalent des émissions annuelles du Japon.

L’énergie éolienne permet également de diversifier le mix énergétique et de renforcer la sécurité énergétique, en réduisant la vulnérabilité aux fluctuations des prix et aux tensions géopolitiques liées aux ressources pétrolières ou gazières. L’énergie éolienne crée aussi des emplois et des revenus locaux, en favorisant le développement économique et social des territoires où elle est implantée.

 

Challenges et controverses

Les éoliennes ont également des impacts négatifs sur l’environnement, qui font l’objet de challenges et de controverses. Parmi ces impacts, on peut citer :

• Le bruit : les éoliennes produisent un bruit mécanique lié au fonctionnement du générateur et un bruit aérodynamique lié au passage du vent sur les pales. Ces bruits peuvent être perçus comme gênants par les riverains, surtout la nuit. Des normes acoustiques sont imposées aux éoliennes pour limiter leur nuisance sonore.

 

• L’impact visuel : les éoliennes sont souvent considérées comme inesthétiques ou dégradantes pour le paysage, notamment dans les zones naturelles ou historiques. Des règles d’implantation sont définies pour préserver le patrimoine paysager et culturel.

 

• L’impact sur la biodiversité : les éoliennes peuvent avoir des effets négatifs sur la faune et la flore, notamment sur les oiseaux et les chauves-souris, qui peuvent entrer en collision avec les pales ou être perturbés par les infrasons. Des études d’impact sont réalisées pour évaluer et réduire les risques écologiques.

 

• L’intermittence : les éoliennes ne produisent pas de l’électricité en continu, mais en fonction de la disponibilité et de la variabilité du vent. Cela pose des problèmes de gestion du réseau électrique, qui doit assurer l’équilibre entre l’offre et la demande d’électricité à tout moment. Des solutions sont envisagées pour pallier l’intermittence, comme le stockage de l’électricité ou le couplage avec d’autres sources d’énergie renouvelable.

 

Le rôle des éoliennes dans la transition énergétique

Contribution de l’énergie éolienne au mix énergétique

L’énergie éolienne joue un rôle important dans la transition énergétique, qui vise à réduire la consommation d’énergie, à augmenter la part des énergies renouvelables et à diminuer les émissions de gaz à effet de serre. L’énergie éolienne est une source d’énergie propre, abondante et compétitive, qui peut contribuer à atteindre ces objectifs.

Selon le scénario Sustainable Development de l’AIE, l’énergie éolienne pourrait représenter 18 % de la production électrique mondiale en 2030 et 26 % en 2050, ce qui permettrait d’éviter l’émission de 4,8 milliards de tonnes de CO2 par an en 2050, soit plus que les émissions annuelles de l’Union européenne.

 

Avenir de l’éolien dans la transition énergétique

L’avenir de l’éolien dans la transition énergétique est prometteur, mais il dépend de plusieurs facteurs, comme le soutien politique, le développement technologique, le coût de production, la demande d’électricité et l’acceptabilité sociale. Parmi les tendances actuelles et futures de l’éolien, on peut citer :

• Le développement de l’éolien offshore, qui offre un potentiel plus important que l’éolien terrestre, notamment grâce aux éoliennes flottantes, qui permettent d’exploiter des zones plus profondes et plus ventées.

 

• Le développement de l’éolien domestique, qui permet aux particuliers ou aux collectivités de produire leur propre électricité à partir d’une petite éolienne installée sur leur toit ou leur jardin.

 

• Le développement de l’hybridation, qui consiste à associer l’éolien à d’autres sources d’énergie renouvelable, comme le solaire ou l’hydrogène, pour optimiser la production et le stockage d’électricité.

 

• Le développement de l’intégration, qui consiste à intégrer les éoliennes au bâti ou au paysage, pour réduire leur impact visuel et améliorer leur acceptabilité.

En conclusion, nous avons vu comment fonctionne une éolienne, quels sont ses principaux composants, ses impacts environnementaux et son rôle dans la transition énergétique.

Nous espérons que cet article vous a permis de mieux comprendre cette source d’énergie renouvelable et ses enjeux pour l’avenir. Si vous avez des questions ou des commentaires, n’hésitez pas à nous les faire part dans la section ci-dessous. Merci de votre attention !