Énergie éolienne : identifier les contraintes et influences pour optimiser le rendement

Producteur majeur d’énergie électrique, l’éolien s’impose dans le paysage de l’énergie propre et renouvelable avec un taux de croissance de 34 % à l’échelle mondiale sur ces cinq dernières années. Son coût a également considérablement diminué au cours des dernières décennies. Cependant pour une exploitation optimale, il est important d’identifier les contraintes, les influences et les obstacles.

Identifier les contraintes de fonctionnement de l’éolienne

Contraintes météorologiques :

Le fonctionnement de l’éolienne doit être le moins possible perturbé par des phénomènes météorologiques tels que la neige, le givre, la tempête de sable, les orages, la grêle, etc.

Contraintes aérologiques :

Pour que le projet soit économiquement rentable, une éolienne nécessite un vent fort et régulier. La vitesse du vent doit être comprise en général entre 4 et 25 m/s.

Contraintes physiques :

La composition de l’atmosphère, influencée par la pollution, la brume, le brouillard et, d’une façon générale, tout ce qui peut faire varier la densité de l’air, affecte le rendement de l’éolienne.

Contraintes liées à la corrosion due à la concentration de sel ou de sable :

Les problèmes de corrosion sont bien connus de tous ceux qui vivent à proximité de la mer ou dans les zones sableuses. Sans maintenance, les performances de l’installation sont rapidement réduites.

Traditionnellement, le contenu du sel a été surveillé en utilisant des échantillonneurs à volume élevé suivis d’une analyse chimique des échantillons recueillis. Cependant, cette méthode n’est pas très utile pour une éolienne. Le ballon captif peut, cependant, être utilisé pour estimer le contenu du sable ou du sel à la hauteur de la nacelle dans les sites potentiels.

Les profils verticaux de concentration de teneur en sels ou particules de sable peuvent être mesurés de manière simple à l’aide d’une pompe et d’un sac d’échantillonnage comme indiqué sur la figure 1, le déclenchement de la minuterie étant réglé pour que l’échantillonnage s’effectue après le temps de vol jusqu’au niveau d’échantillonnage. À la fin du vol, les sacs sont récupérés et fermés hermétiquement aussi rapidement que possible ; l’analyse est ensuite effectuée au laboratoire. Pour convertir la concentration d’air des composés souhaités, il faut noter la durée et le débit de pompage et connaître le nombre de mètres cubes d’air que la pompe a prélevé.

Les influences locales sur le vent

Le terrain :

Pour optimiser le rendement d’une installation éolienne, le concepteur doit faire un choix de sites adéquats en fonction de l’influence locale sur le vent.

La topographie :

Au passage des obstacles topographiques, l’écoulement de l’air subit des modifications qui peuvent engendrer des augmentations de la vitesse du vent au sommet des collines.

Changement de rugosité :

À des altitudes élevées, à environ un kilomètre au-dessus du sol, l’influence de la surface de la terre sur l’écoulement du vent est pratiquement nulle. Par contre, dans les couches d’air plus basses, la friction contre la surface de terrain influe beaucoup sur la vitesse du vent. Dans le cas du gisement éolien, il faut distinguer l’effet de la rugosité du terrain et l’influence exercée par les obstacles avoisinants et les contours du paysage.

Obstacles : Lorsqu’un obstacle ou bâtiment isolé se dresse sur un site dégagé, l’écoulement du vent est très fortement perturbé dans le sens de l’écoulement et autour du bâtiment ou obstacle. Si h est la hauteur du bâtiment et d la dimension de la façade latérale perpendiculaire à la direction du vent, l’écoulement engendre une zone de sillage dont l’extension dans le sens de l’écoulement est de l’ordre de 20 heures, et latéralement d’environ 4 à 5 d.

Evaluation de site retenu

Pour optimiser son implantation sur un terrain, le choix des emplacements (micrositing) doit donc être effectué en fonction de caractéristiques locales du vent, et tenir compte des particularités suivantes :

Le rapport maximal entre la hauteur d’une irrégularité et sa longueur ne doit pas dépasser 1/50 dans un rayon de 4 km en aval de l’éolienne, ce qui favorise les collines à faible pente.
Le point le plus bas du rotor doit être au moins trois fois plus haut que la plus haute irrégularité sur le terrain dans un rayon de 4 km en aval de l’éolienne.
Dans le cas d’un obstaclenaturel, comme une rangée d’arbres, ou d’obstacles érigés par l’homme, comme des immeubles, l’écoulement est perturbé sur une distance en aval correspondant à une vingtaine de fois la hauteur de l’obstacle. Dans cette zone, le vent est fortement fluctuant, tant en amplitude qu’en direction. Dans tous les cas, il faut placer l’éolienne à l’extérieur de la zone d’influence des obstacles.
Comme l’éolienne doit être orientée vers les vents dominants, la direction du vent doit être prise en compte et pas seulement sa vitesse.

Certains édifices sableux peuvent aussi servir d’indicateur de vent. En effet, les formations dunaires sont classées selon le régime du vent et la couverture sableuse :

sous un régime de vent bidimensionnel se forment des dunes linéaires, longitudinales ou transverses aux vents si le sol est bien recouvert de sable ;
sous un régime de vent multidimensionnel se forment des dunes en étoiles ;
sous un régime de vent unidimensionnel se forment des dunes en forme de croissant : les barkhanes

Conclusion

Pour favoriser le bon rendement d’une éolienne le choix du site d’implantation est primordial. Ce site doit avoir, de préférence, une vue aussi dégagée que possible dans la direction des vents dominants. Il faut qu’il y ait aussi peu d’obstacles et une rugosité aussi faible que possible dans cette direction. Avec une colline en pente douce, il est même possible d’obtenir un effet accélérateur.

Exclusif ! L’article complet dans les ressources documentaires en accès libre jusqu’au 28 février !

Énergie éolienne terrestre, un article de Nacer MESSEN et Nachida KASBADJI MERZOUK

Les technologies de rupture comme les éoliennes aéroportées en mer ou à terre (Airborne Wind Energy System – AWES) pourraient jouer un rôle croissant à partir de 2020, selon les spécialistes du secteur éolien. A des altitudes élevées il y a suffisamment de vent pour alimenter la demande mondiale croissante d’énergie. A 500 m d’altitude, selon la loi exponentielle de Hellmann, le vent souffle 25% plus vite et transporte 2,0 fois plus d’énergie (il croît avec le cube de la vitesse du vent). A 1500 m d’altitude la production est 8 fois supérieure à celle à 100 m. Entre 400 et 800 m la production électrique est généralement continue.

Les éoliennes aéroportées nécessitent bien moins de surfaces comme de ressources (90% de moins) donc sont nettement plus facilement recyclables avec un bien meilleur bilan, sont nettement moins lourdes (99% du poids est au sol) et donc bien plus faciles et rapides à transporter et à installer que les éoliennes conventionnelles, y compris sur des sites habituellement inaccessibles, sans éventuelles nuisances optiques ou autres et avec bien moins de bruit et d’impacts aviaires. Leur altitude de fonctionnement (entre 200 et 1500 m avec une moyenne à 500 m) ne gêne pas l’aviation (au delà des aéroports), leur maintenance est facilitée, elle sont autonomes, leur coût est très compétitif (électricité jusqu’à plus de 60% de moins que le prix de l’éolien conventionnel avec des perspectives de baisse au moins aussi fortes selon BVG Associates) et permettent de multiples implantations et nouveaux marchés, tout en offrant plus de résistance et d’adaptabilité dans les zones particulièrement venteuses et d’ouragans ou autres conditions climatiques extrêmes (neige, glace etc). L’électricité peut être transmise via le câble de liaison ou à des récepteurs par micro-ondes ou laser. Elles sont toutefois, selon les types de modèles, à protéger de la foudre. Les câbles en polyéthylène de poids moléculaire ultra élevé doivent être changés périodiquement.

Point assez complet (en 52 minutes) sur les technologies, marques, capacités et marchés des éoliennes aéroportées :

https://www.youtube.com/embed/UiriQHZMcs0

Quelques développeurs d’éoliennes aéroportées (parmi la centaine actuellement dans le monde), sous forme de drone, avion/aile, cerf-volant etc :

– Ampyx Power (Pays-Bas) partenaire notamment du Netherlands Aerospace Centre (NLR), de l’EASA (European Aviation Safety Agency) et d’E.ON.

La puissance visée est de 2 à 4 MW par unité (jusqu’à 2000 foyers alimentés) dans le but de remplacer les turbines conventionnelles de capacité comparable construites depuis le début de siècle et qui sont maintenant en fin de vie.

Vidéos :

https://www.youtube.com/embed/5c8ofmpfJVI

– Kite Power Systems – KPS (Ecosse) partenaire de Shell, E.on et Schlumberger :

Deux cerfs-volants sont pilotés de manière autonome, l’un des deux produisant toujours de la puissance. Ils sont programmés pour voler dans une direction prédéfinie, similaire à la trajectoire que suivrait la pointe d’une pale d’éolienne. Ils fonctionnent à 250 m d’altitude et captent toutes les directions de vents. La vitesse de vol est élevée – plus de 100mph dans des vents de 20mph (puissance envisagée 3 MW par unité soit l’électricité de 1500 foyers) + de 15% d’électricité qu’une éolienne classique de même puissance au même endroit.

Il n’est pas nécessaire d’arrêter les opérations dans des conditions extrêmement venteuses. La neige a également peu d’impact sur la performance de l’aile.

Le givrage dû au froid et à l’humidité peut poser problème, mais comme l’aile KPS est de conception hybride (c.-à-d. aile en tissu sur une structure aérodynamique rigide), elle se déforme légèrement en vol, ce qui favorise la perte de glace.

En cas de foudre, les cerfs-volants sont récupérés pour minimiser les risques de dommages. Puisqu’ils peuvent être automatiquement récupérés et stockés en moins de 5 minutes.

Le système KPS utilise un seul câble d’ancrage pour réduire la traînée. En cas de défaillance de l’ancrage, il existe deux modes de récupération de l’aile :

– Si l’aile est encore capable de voler, le système de contrôle embarqué prend le relais et la fait voler jusqu’à un point d’atterrissage préprogrammé à l’écart du réseau. Le système au sol détecte qu’il y a eu une défaillance de l’attache et enroule le reste de l’attache sur le tambour.
– Si l’aile ne peut pas voler en toute sécurité, un système de largage de sécurité embarqué coupe la bride pour forcer l’aile à tomber le plus rapidement possible dans un endroit sûr.

Le temps de déploiement d’un système terrestre de 1MW ne prend pas plus d’une journée. Le système est livré sur site dans deux conteneurs ISO standard.

Les systèmes offshore sont assemblés sur le quai et remorqués jusqu’à l’emplacement du réseau. Une fois sur place, ils sont connectés à des amarres préinstallées et à un élévateur à câble d’alimentation : ce processus de connexion dure environ 30 minutes. Il faut moins de 20 minutes pour désaccoupler le système et le remorquer jusqu’à la rive pour l’entretien.

http://www.kps.energy/

– Kitepower (Pays-Bas) : type cerf-volant d’appoint (100 kW) rapidement déployable

– Kiteswarms (Royaume Uni – Allemagne) : drone

– KiteX (Danemark) : drone 1 MW/unité

– Makani (Californie), filiale d’Alphabet, société mère de Google : energy kite (cerf-volant énergétique)

Ce robot volant entièrement autonome ressemble à un biplan avec plusieurs turbines. La version pilote actuelle est proche d’1 MW (600 kW) de puissance. Il effectue des boucle en 10 à 25 secondes qui augmentent l’énergie captée.
Le vent augmente avec l’altitude, il est également plus prévisible et plus constant.

– Altaeros energies (Etats-Unis) : BAT (Buoyant Air Turbine) éolienne pour zone non alimentée ou sinistrée, très rapidement déployable réglant son altitude et orientation automatiquement pour capter les vents les plus forts qu’elle détecte à l’aide d’anémomètres. Elle supporte des vents de 160 km/h et résiste à la neige, au gel et à la foudre.

– Bladetips Energy (France)

Eolienne à diamètre variable, altitude de vol variable (moyenne : 500 m), ressources réduites de 80%, coûts de production électriques réduits de 60%.

Vidéo :

https://www.youtube.com/embed/10mx8OXE79Q

– Bruce Banks Sails

– Energy now

– Enerkite (Allemagne) : éolienne aéroportée d’appoint rapidement déployable

– e-Wind Solutions (Allemagne) : éolienne aéroportée d’appoint

– e-kite (Pays-Bas)

– Innovate

– Joby energy

– KiteGen (Italie)

– Kitegen Carousel

– Kitemill (Norvège) : éolienne aéroportée 500 à 1500 m d’altitude

– Kitenergy

– Kitegen Stem

– Ku Leven

– Minesto éolienne sous marine

– Nts energie

– National Wind Tunnel Facility (NWTF)

– Open Source AWE

– Rotokite (Italie) éolienne d’appoint

– SkySails Power GmbH (Allemagne) partenaire d’EnBW et de la Leibniz University of Hanover

Le système SkySails Power est exploité à des altitudes comprises entre 200 et 800 mètres. Il
peut être installé aussi bien sur des fondations offshore conventionnelles que sur des plates-formes flottantes. Il peut également être implanté rapidement et facilement à des profondeurs d’eau jusqu’à 700 mètres en utilisant des technologies d’ancrage traditionnelles et facilement disponibles en mer.

Moins de 10 % de la masse d’une éolienne conventionnelle (99% du poids est au sol) donc le système est nettement plus compact et léger et peut donc être produit (chaîne de montage), installé et entretenu de manière beaucoup plus économique et rapide.

Les coûts de production d’électricité peuvent être réduits jusqu’à 50%.

Ouverture à des marchés qui ne peuvent être desservis par des éoliennes conventionnelles pour des raisons techniques et/ou économiques, tels que les zones offshore en eau profonde (profondeur d’eau à partir de 50 m), les zones extrêmes (ouragans / typhons), les zones à vents faibles, ainsi que les systèmes éoliens mobiles (jusqu’à 500 kW) en remplacement de génératrices diesel. Cela double le potentiel du marché mondial pour les systèmes d’énergie éolienne.

Vidéo :

https://www.youtube.com/embed/3VKFJ2_cQmM

– Skypull (Suisse) : drône

– SwissKitePower

– Sky wind Power

– TwingTec (Suisse) : 300 m d’altitude. La société estime qu’un parc de 20X20 de ses drones pourrait produire 1 GW (soit l’équivalent d’une centrale nucléaire). Le Twing décolle et atterrit de manière entièrement autonome comme un multicoptère et vole comme un cerf-volant pour produire de l’électricité. Après le décollage, le système de vol se comporte comme un cerf-volant, entraînant une génératrice via un treuil. Si le vent se calme, le drone retombe automatiquement sur le toit de son site.

– VTOL Capability

– Windlift (Etats-Unis) : type avion, énergie d’appoint

Energie+
6 février 2019 at 7 h 11 min
Et aperçu non exhaustif des éoliennes conventionnelles, jusqu’à + de 50 MW de puissance à terme et coût de production inférieur à 20 euros/MWh:

https://www.youtube.com/embed/qVMgFEJRvWs

.
Energie+
6 février 2019 at 7 h 02 min
Les technologies de rupture comme les éoliennes aéroportées en mer ou à terre (Airborne Wind Energy System – AWES) pourraient jouer un rôle croissant à partir de 2020, selon les spécialistes du secteur éolien. A des altitudes élevées il y a suffisamment de vent pour alimenter la demande mondiale croissante d’énergie. A 500 m d’altitude, selon la loi exponentielle de Hellmann, le vent souffle 25% plus vite et transporte 2,0 fois plus d’énergie (il croît avec le cube de la vitesse du vent). A 1500 m d’altitude la production est 8 fois supérieure à celle à 100 m. Entre 400 et 800 m la production électrique est généralement continue.

Les éoliennes aéroportées nécessitent bien moins de surfaces comme de ressources (90% de moins) donc sont nettement plus facilement recyclables avec un bien meilleur bilan, sont nettement moins lourdes (99% du poids est au sol) et donc bien plus faciles et rapides à transporter et à installer que les éoliennes conventionnelles, y compris sur des sites habituellement inaccessibles, sans éventuelles nuisances optiques ou autres et avec bien moins de bruit et d’impacts aviaires. Leur altitude de fonctionnement (entre 200 et 1500 m avec une moyenne à 500 m) ne gêne pas l’aviation (au delà des aéroports), leur maintenance est facilitée, elle sont autonomes, leur coût est très compétitif (électricité jusqu’à plus de 60% de moins que le prix de l’éolien conventionnel avec des perspectives de baisse au moins aussi fortes selon BVG Associates) et permettent de multiples implantations et nouveaux marchés, tout en offrant plus de résistance et d’adaptabilité dans les zones particulièrement venteuses et d’ouragans ou autres conditions climatiques extrêmes (neige, glace etc). L’électricité peut être transmise via le câble de liaison ou à des récepteurs par micro-ondes ou laser. Elles sont toutefois, selon les types de modèles, à protéger de la foudre. Les câbles en polyéthylène de poids moléculaire ultra élevé doivent être changés périodiquement.

Point assez complet (en 52 minutes) sur les technologies, marques, capacités et marchés des éoliennes aéroportées :

https://www.youtube.com/embed/UiriQHZMcs0

Quelques développeurs d’éoliennes aéroportées (parmi la centaine actuellement dans le monde), sous forme de drone, avion/aile, cerf-volant etc :

– Ampyx Power (Pays-Bas) partenaire notamment du Netherlands Aerospace Centre (NLR), de l’EASA (European Aviation Safety Agency) et d’E.ON.

La puissance visée est de 2 à 4 MW par unité (jusqu’à 2000 foyers alimentés) dans le but de remplacer les turbines conventionnelles de capacité comparable construites depuis le début de siècle et qui sont maintenant en fin de vie.

Vidéos :

https://www.youtube.com/embed/5c8ofmpfJVI

– Kite Power Systems – KPS (Ecosse) partenaire de Shell, E.on et Schlumberger :

Deux cerfs-volants sont pilotés de manière autonome, l’un des deux produisant toujours de la puissance. Ils sont programmés pour voler dans une direction prédéfinie, similaire à la trajectoire que suivrait la pointe d’une pale d’éolienne. Ils fonctionnent à 250 m d’altitude et captent toutes les directions de vents. La vitesse de vol est élevée – plus de 100mph dans des vents de 20mph (puissance envisagée 3 MW par unité soit l’électricité de 1500 foyers) + de 15% d’électricité qu’une éolienne classique de même puissance au même endroit.

Il n’est pas nécessaire d’arrêter les opérations dans des conditions extrêmement venteuses. La neige a également peu d’impact sur la performance de l’aile.

Le givrage dû au froid et à l’humidité peut poser problème, mais comme l’aile KPS est de conception hybride (c.-à-d. aile en tissu sur une structure aérodynamique rigide), elle se déforme légèrement en vol, ce qui favorise la perte de glace.

En cas de foudre, les cerfs-volants sont récupérés pour minimiser les risques de dommages. Puisqu’ils peuvent être automatiquement récupérés et stockés en moins de 5 minutes.

Le système KPS utilise un seul câble d’ancrage pour réduire la traînée. En cas de défaillance de l’ancrage, il existe deux modes de récupération de l’aile :

– Si l’aile est encore capable de voler, le système de contrôle embarqué prend le relais et la fait voler jusqu’à un point d’atterrissage préprogrammé à l’écart du réseau. Le système au sol détecte qu’il y a eu une défaillance de l’attache et enroule le reste de l’attache sur le tambour.
– Si l’aile ne peut pas voler en toute sécurité, un système de largage de sécurité embarqué coupe la bride pour forcer l’aile à tomber le plus rapidement possible dans un endroit sûr.

Le temps de déploiement d’un système terrestre de 1MW ne prend pas plus d’une journée. Le système est livré sur site dans deux conteneurs ISO standard.

Les systèmes offshore sont assemblés sur le quai et remorqués jusqu’à l’emplacement du réseau. Une fois sur place, ils sont connectés à des amarres préinstallées et à un élévateur à câble d’alimentation : ce processus de connexion dure environ 30 minutes. Il faut moins de 20 minutes pour désaccoupler le système et le remorquer jusqu’à la rive pour l’entretien.

http://www.kps.energy/

– Kitepower (Pays-Bas) : type cerf-volant d’appoint (100 kW) rapidement déployable

– Kiteswarms (Royaume Uni – Allemagne) : drone

– KiteX (Danemark) : drone 1 MW/unité

– Makani (Californie), filiale d’Alphabet, société mère de Google : energy kite (cerf-volant énergétique)

Ce robot volant entièrement autonome ressemble à un biplan avec plusieurs turbines. La version pilote actuelle est proche d’1 MW (600 kW) de puissance. Il effectue des boucle en 10 à 25 secondes qui augmentent l’énergie captée.
Le vent augmente avec l’altitude, il est également plus prévisible et plus constant.

– Altaeros energies (Etats-Unis) : BAT (Buoyant Air Turbine) éolienne pour zone non alimentée ou sinistrée, très rapidement déployable réglant son altitude et orientation automatiquement pour capter les vents les plus forts qu’elle détecte à l’aide d’anémomètres. Elle supporte des vents de 160 km/h et résiste à la neige, au gel et à la foudre.

– Bladetips Energy (France)

Eolienne à diamètre variable, altitude de vol variable (moyenne : 500 m), ressources réduites de 80%, coûts de production électriques réduits de 60%.

Vidéo :

https://www.youtube.com/embed/10mx8OXE79Q

– Bruce Banks Sails

– Energy now

– Enerkite (Allemagne) : éolienne aéroportée d’appoint rapidement déployable

– e-Wind Solutions (Allemagne) : éolienne aéroportée d’appoint

– e-kite (Pays-Bas)

– Innovate

– Joby energy

– KiteGen (Italie)

– Kitegen Carousel

– Kitemill (Norvège) : éolienne aéroportée 500 à 1500 m d’altitude

– Kitenergy

– Kitegen Stem

– Ku Leven

– Minesto éolienne sous marine

– Nts energie

– National Wind Tunnel Facility (NWTF)

– Open Source AWE

– Rotokite (Italie) éolienne d’appoint

– SkySails Power GmbH (Allemagne) partenaire d’EnBW et de la Leibniz University of Hanover

Le système SkySails Power est exploité à des altitudes comprises entre 200 et 800 mètres. Il
peut être installé aussi bien sur des fondations offshore conventionnelles que sur des plates-formes flottantes. Il peut également être implanté rapidement et facilement à des profondeurs d’eau jusqu’à 700 mètres en utilisant des technologies d’ancrage traditionnelles et facilement disponibles en mer.

Moins de 10 % de la masse d’une éolienne conventionnelle (99% du poids est au sol) donc le système est nettement plus compact et léger et peut donc être produit (chaîne de montage), installé et entretenu de manière beaucoup plus économique et rapide.

Les coûts de production d’électricité peuvent être réduits jusqu’à 50%.

Ouverture à des marchés qui ne peuvent être desservis par des éoliennes conventionnelles pour des raisons techniques et/ou économiques, tels que les zones offshore en eau profonde (profondeur d’eau à partir de 50 m), les zones extrêmes (ouragans / typhons), les zones à vents faibles, ainsi que les systèmes éoliens mobiles (jusqu’à 500 kW) en remplacement de génératrices diesel. Cela double le potentiel du marché mondial pour les systèmes d’énergie éolienne.

Vidéo :

https://www.youtube.com/embed/3VKFJ2_cQmM

– Skypull (Suisse) : drône

– SwissKitePower

– Sky wind Power

– TwingTec (Suisse) : 300 m d’altitude. La société estime qu’un parc de 20X20 de ses drones pourrait produire 1 GW (soit l’équivalent d’une centrale nucléaire). Le Twing décolle et atterrit de manière entièrement autonome comme un multicoptère et vole comme un cerf-volant pour produire de l’électricité. Après le décollage, le système de vol se comporte comme un cerf-volant, entraînant une génératrice via un treuil. Si le vent se calme, le drone retombe automatiquement sur le toit de son site.

– VTOL Capability

– Windlift (Etats-Unis) : type avion, énergie d’appoint