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nergie olienne : pourquoia marche ?
Sandrine Aubrun-Sanches
Matre de confrences
Institut PRISME / PolytechOrleans
Institut PRISME / PolytechOrlans8, rue Lonard de Vinci45072 Orlans cedex
[email protected] : 02.38.49.43.94
mailto:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]7/29/2019 7nrj_eolienne
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Les nergies renouvelables
Directives europennes de 2001 pour lapromotion des nergies renouvelables:
5,75% de biocarburants en 2010 Elctricit propre, de 14% en 1997 21%
en 2010 50%de la production de chaleur dorigine
renouvelable en 2015
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Les nergies renouvelables
Ncessit conomique et cologique
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Capacit installe dans le monde
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Lnergie olienne dans le monde
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En 2003, la Commission Europenneprvoit une capacit dnergie olienne
installe de:
79.8 GW in 2010
144.8 GW in 2020
213.5 GW in 2030. Estimation revue 9 fois la hausseentre 1996 et 2003
Lnergie olienne en Europe
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Lnergie olienne en Europe
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Lnergie olienne offshore en Europe
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Lnergie olienne en France
Mars 2009
Prvisions : 25000 MW en 2020
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Les challenges de lolien
Taille des oliennes Installations off-shore Ferme doliennes
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Les composants
pales
tour
moyeu
nacelle5) larbre lent6) Le multiplicateur7) Le frein8) larbre rapide9) Gnratrice
10) Systme de refroidissement11) Anmomtres et girouettes
Vitesse de rotation 10 50 tr/min
nergie cintique nergie mcanique nergie lectrique
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Les disciplines concernes
Estimation des ressources oliennes
Arodynamique
Structures et matriaux (arolasticit) Gnration dlectricit
Intgration au rseau lectrique
Impact environnemental Finances, conomie, rgulations, publicit
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Les disciplines concernes
Estimation des ressources oliennes Arodynamique
Structures et matriaux (arolasticit) Gnration dlectricit
Intgration au rseau lectrique
Impact environnemental Finances, conomie, rgulations, publicit
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Les vents globaux
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Les vents de surface
200 premiers mtres de latmosphre Dpendants de la rugosit du terrain et la
prsence dobstacles: vgtation relief Urbanisation
Vents locaux (brise de mer, vent demontagne)
Vents de surfaces vents globaux
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Potentiel olien
Estimer le potentiel olien dun site En prospection
En temps rel Codes de calcul mtorologique mso-
chelles
Code de calcul pour modliser la couchelimite atmosphrique
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La rose des vents
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Variations mtorologiques
Variations journalires (cycle diurne)
Variations saisonnires
Variations annuelles
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La couche limite atmosphrique
Increasing complexity of the wind flow
Boundary
layer
Mixed layer
Surface layer
Urban roughness
50m
100m
600 ... 1000 m
Geostrophic wind
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Les types de terrain
Terrain peu rugueux Terrain modrment rugueux
Terrain rugueux Terrain trs rugueux
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Les types de terrain
Cas extrmes
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La couche limite atmosphrique Modlisation des 100 200 mtres de la couche limite
atmosphrique (profil puissance)
Incluant la couche de surface (60 100 mtres) (profillogarithmique)
Rgi par la rugosit du sol
ref ref
u z z
U z
* 0
1 .lnu z zU z
z0, longueur de rugosit
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U/U 90m
z[m]
0 0.5 10
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
= 0.19
Exemple de profil
(modrment rugueux rugueux)
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U/U90m
z[m]
0 0.5 10
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
= 0.19
Exemple de profil
(modrment rugueux rugueux)
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La turbulence
0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
4
4.5
5
5.5
6
6.5
srie temporelle de la vitesse mesure 30 m d'altitude
temps [heure]
vitesse[m/s]
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La turbulence
Intensit de turbulence [%]
altitude[m]
0 10 20 30 40 50 600
50
100
150
200
250
300
trs rugueux
rugueux
modrment rugueux
peu rugueux
Intensit de turbulence
100 [%]uumoy
IU
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Cas idal
Les terrains peu rugueux (mer, glace) sont
privilgis Profil de vitesse plat rendement optimal
Turbulence plus faible moins de fatigue
structurelle (moins de vibration)
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Les disciplines concernes
Estimation des ressources oliennes
Arodynamique
Structures et matriaux (arolasticit) Gnration dlectricit
Intgration au rseau lectrique
Impact environnemental Finances, conomie, rgulations, publicit
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Le fonctionnement
La puissance du vent
31.
2 V
3 21. . .
2
ventP V R
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Le fonctionnement
Extraction dnergie cintiquede lcoulement
distorsion des lignes de courant
Puissance extraite f(V1-V2)
(loi de Betz)
max16
0.5927
vent
P
P
2 2
2 1 2 1
1 1
2 2
V V V V
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La loi de Betz (1919)
P/Pvent
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Puissance extraite
Coefficient de puissance
= Puissance extraite/
Puissance du vent
CpPuissance extraite (W)
0
200
400
600
800
1000
0 10 20 30
Vitesse (m/s)
Puissance(W)
Coefficient de puissance
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0 10 20 30
Vitesse (m/s)
Cp
Exemple de lolienne Neg Micon NM52/900
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Arodynamique de pales
V
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Arodynamique de pales
Bernoulli: le long dune ligne de courant, si la vitesse augmente, la pression diminue
V
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Arodynamique de pales
Bernoulli: le long dune ligne de courant, si la vitesse augmente, la pression diminue
VForte dpression
Faible dpression
portance
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La portance
Cz dcrochage
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Arodynamique des palesen rotation
w
V
V
wRW
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Arodynamique des palesen rotation
V
wRWb
b
portance
trane
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Arodynamique des palesen rotation
V
wRWb
b
couple
portance
trane
= (R)en pied de pale, grand
En bout de pale, petit
Trane globale
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Arodynamique des palesen rotation
V
wRWb
= (R) en bout de pale, petit
en pied de pale, grand risque de dcrochage
pale vrille
Arodynamique des pales
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0
10
20
30
40
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
x/R
Incidence(
)
% Couple
Incidence
P
ourcentagedeco
uple(%)
Arodynamique des palesen rotation
Rpartitions de couple et dincidence le long de la pale
Obtenues avec le code de calcul EOLECalage : 8 ; Vitesse : 14 m.s-1
< 10 sur la partie de lapale qui fournit lessentiel
du couple
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Arodynamique des palesLa corde des pales nest pas constante
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Contrle de la puissance
Vitesse optimale de fonctionnement 15 m/s
Si V > 15 m/s, il faut perdre de lnergie
Contrle calage variable de pales= contrle actif (olienne pas variable)
Ingnierie complexe
Rgulation par dcrochage arodynamique= contrle passif (olienne pas fixe)
Si V augmente, augmente
dcrochage local
perte de portance
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Sillage dune olienne
Impact sur les oliennessitues en aval
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Interaction
D t t
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Dautres concepts:Eoliennes axe vertical
Rotor de Darrieus Rotor de Savonius
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Les disciplines concernes
Estimation des ressources oliennes Arodynamique
Structures et matriaux (Arolasticit) Gnration dlectricit
Intgration au rseau lectrique
Impact environnemental Finances, conomie, rgulations, publicit
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Gnralits Lolienne doit pouvoir supporter des
vents trs forts Nombre de pales restreint (3 pales)
Turbulence trs leve Fatigue des structures
tude oscillatoire des structures w
V
couple
couple
trane
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Rsistance des pales
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La tour
tubulaire dacier en treillis haubans
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Les pales et la nacelle
Les grandes oliennes Matriaux plastiques + fibre de verre
Les petites oliennesAluminium et acier
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Les disciplines concernes
Estimation des ressources oliennes Arodynamique
Structures et matriaux (Arolasticit)
Gnration dlectricit Intgration au rseau lectrique
Impact environnemental Finances, conomie, rgulations, publicit
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La gnratrice
Transforme lnergie mcanique ennergie lectrique
Gnre un courant alternatif triphas de
680V Transform en 10 ou 30 kV
pour tre raccord au rseau
Signal lectrique en 50 Hz
(60 Hz aux U.S.A.)
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La gnratrice asynchrone
Rotor en cage dcureuil Barreaux daluminium relis par deux
cercles mtalliques
Matriau conducteur
Champ magntique tournant => courantinduit dans les barreaux de la cage
Vrotor= 1.01 Vchampmagntique
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La gnratrice asynchrone
Indpendant du nombre de ples
Doit tre reli au rseau lectrique pourgnrer le champ magntique tournant
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Les disciplines concernes
Estimation des ressources oliennes Arodynamique
Structures et matriaux (Arolasticit)
Gnration dlectricit
Intgration au rseau lectrique
Impact environnemental Finances, conomie, rgulations, publicit
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Raccordement au rseau
Raccordement direct si le signal lectriquegnr est 50Hz (pas raliste)
Raccordement indirect
transformateurs
filtres
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Intgration au rseau lectrique
nergie olienne=nergie fatale
Dixit RTE (Gestionnaire du Rseau de Transport dlectricit)
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Intgration au rseau lectrique
Une olienne tourne 80 90% du tempsmais pas sa puissance nominale
Sa production est ramene au nombre
dheures si elle fonctionnait sonoptimum: Bon sites : 3000 h /an (1 an = 8760h)
En Beauce : 2500 2700 h/anAllemagne : 1800 h/an
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nergie complmentaireassocie dautres formes
de production Choix des sites Obligation dachat par EDF
de llectricit 0,082 du
kWh pendant 10 ans Puissance installe 12 MW(jusquen 2007)
Prix du kWh entre 0,05 et0,07(0,027 pour le nuclaire,0,035 pour le gaz)
Diffrence rpercute sur lafacture des particuliers(0,60 / an / foyer)
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Les disciplines concernes
Estimation des ressources oliennes Arodynamique
Structures et matriaux (Arolasticit)
Gnration dlectricit
Intgration au rseau lectrique
Impact environnemental Finances, conomie, rgulations, publicit
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Impact sur le milieu biologique
Eoliennes et oiseaux Oiseaux migrateurs Oiseaux locaux (suivant les tudes: 0,1 4 oiseaux
tus / olienne / an)
Chauve-souris Eoliennes et vgtation
Emprise au sol faible Terrassement Rseau routier Zones dassemblage
Clauses de dmantlement
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Impact sur les humains
Attention chute dobjets. Distance minimale : 6 fois la hauteur totale
Nuisance sonore 1 olienne : 45dB 100m 30 oliennes : 45dB 500 m
Insertion paysagre
de Cest affreux cest superbe!! Lombre des oliennes Les travaux Syndrome Not in my back yard
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Les disciplines concernes
Estimation des ressources oliennes Arodynamique Structures et matriaux (Arolasticit) Gnration dlectricit Intgration au rseau lectrique Impact environnemental Finances, conomie, rgulations,
publicit
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Retombes locales
Exemple : communaut de communes deJanville 27 oliennes, soit 60MW installs 4000/olienne/an pour le propritaire terrien
(location) 4000/olienne/an pour la Rgion Centre (taxe
professionnelle) 10000/olienne/an pour le dpartement Eure et Loir
(taxe professionnelle) 10000/olienne/an pour la communaut de
communes (taxe professionnelle)
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Cots dun projet oliencot moyen du kW install : 1,7 k
Dure de vie : 15-20 ans (plus long en mer)
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Les composants
COMPOSANTS % (en valeur)Pales 14 %
Moyeu 3 %
Multiplicateur 14 %
Gnratrice 8 %Roulements 4 %
Groupe hydraulique 8 %
Electricit 9 %
Nacelle et capot 8 %
Assemblage 3 %
Divers 5 %
Mt 24 %
Total : 100.0%
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Les constructeurs
Nordex (Allemagne) Vestas (Danemark) Dewind (Allemagne) Enercon (Allemagne) Ecotcnica (Espagne) Gamesa Eolica (Espagne)
Enron Wind (USA) Vergnet (Orlans, France) petit olien
Liste non exhaustive
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Bibliographie
Sites internet www.ademe.fr(ADEME) www.windpower.org (association danoise) www.meteo.fr(Meteofrance) www.ewea.org (European Wind Energy Association) www.eole.org www.suivi-eolien.com
Livres Wind Energy Handbook (Wiley & Sons)
Guide de lnergie olienne (Coll. Etudes et filires) Confrences
European Wind Energy Conference, 22-24 nov. 2004, Londres.
http://www.ademe.fr/http://www.windpower.org/http://www.meteo.fr/http://www.ewea.org/http://www.eole.org/http://www.suivi-eolien.com/http://www.suivi-eolien.com/http://www.suivi-eolien.com/http://www.suivi-eolien.com/http://www.eole.org/http://www.ewea.org/http://www.meteo.fr/http://www.windpower.org/http://www.ademe.fr/7/29/2019 7nrj_eolienne
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Installations offshore
Solution miracle Vent constant et peu turbulent Grande tendue : ferme doliennes
Pas de population Peu visible du continent
Difficults technologiques
Raccordement au rseau continental Fondations des oliennes Salinit et corrosion construction
Installations offshore
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Installations offshoreexemple au Pays-Bas
Dici 2020 25 fermes
50 200 km2 6 GW install
Perturbation delcoulement
Corten et al. (EWEC 2004)
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Les forces de Coriolis
Observateur terrestreObservateur extra-terrestre
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Les forces de Coriolis
Observateur terrestreObservateur extra-terrestre
2cF mV w
Arodynamique des pales
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Arodynamique des palesen rotation
Incidence des pales
go : Incidence gomtriqueb : Calage des pales
Contrls par
loprateur
Obtenue laide dun code de calcul
de type ligne portanteinduit : Incidence induite
V
rAgo
.tan
induitgo b
rW
Arodynamique des pales
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Ecoulement attach
Ecoulement radial
Ecoulement dcoll
Dcrochage 3D
y q pen rotation
La corde des pales nest pas constante
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Arodynamique des palesAile de faible allongement
Dpression relative extrados
Surpression relative intrados
- - - - - - - - - - - - - -+ + + + + + + + + +
coulement extradosdivergent
coulement intradosconvergent
Perte de portance
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Tourbillon marginal
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