L'énergie éolienne est l'une des énergies renouvelables les plus prometteuses. La production électrique issue des centrales éoliennes est considérée comme insuffisante pour couvrir les besoins mondiaux. Elle n'en demeure pas moins intéressante, surtout pour le mix énergétique nécessaire à la transition écologique dans laquelle la France s'est engagée.
Principes de production, différents types d'éoliennes, puissance, production annuelle… SirEnergies vous propose de découvrir l'essentiel sur le rendement d'une éolienne !
Quelques principes fondamentaux de la production d'une éolienne
Énergie éolienne : une énergie intermittente
Les éoliennes ne produisent pas une quantité constante d'énergie. En fonction des conditions météorologiques, ces moulins à vent modernes génèrent plus ou moins de l'électricité. Il est également possible que leur production soit nulle, d'où l'intermittence de l'énergie éolienne.
La masse d'air, la force et la vitesse du vent ont un réel impact sur la quantité d'énergie produite par une éolienne. Le rendement de cette machine est aussi un facteur à prendre en compte. Il s'agit de sa capacité à convertir la vitesse de rotation des hélices en électricité sans perdre une grande quantité d'énergie au cours de la transformation.
Les éoliennes se retrouvent dans les régions venteuses (sur les plateaux peu protégés) pour optimiser leur rendement. Dans l'Hexagone, la Bretagne, l'Occitanie et la région PACA sont les régions les plus propices à l'installation de centrales éoliennes.
Comment s'exprime la puissance d'une éolienne ?
La puissance est l'un des principaux critères de comparaison entre plusieurs sources d'énergie. Elle s'exprime en kilowatts (kW) contrairement au rendement dont l'unité est le kilowattheure (kWh). La puissance d'une éolienne se calcule à partir de la formule suivante :
P = 1/2 x Rho x S x V
Ici, P désigne la puissance et Rho la masse volumique de l'air. Le symbole « S » représente la surface du cercle dont le rayon est égal à la longueur d'une pale. V est enfin la vitesse du vent exprimée en mètre par seconde.
Le rendement d'une éolienne est le rapport de l'énergie utilisable par l'appareil sur l'énergie qui lui est fournie. En d'autres termes, il s'agit de la quantité d'énergie réellement produite par le dispositif et consommable à tout moment. Les meilleurs rendements sont de l'ordre de 65 %.
Quels sont les différents types d'éoliennes ?
Vous êtes désormais incollables sur le calcul de la puissance et le rendement mécanique d'une éolienne. Qu'en est-il des différentes déclinaisons de cette machine et de la quantité d'électricité qu'elles peuvent offrir ?
Éolienne horizontale
Dans une éolienne horizontale, l’axe de la génératrice est latéral. Les pales sont donc verticales, ce qui augmente leur vitesse de rotation. Il s'agit du type d'éolienne le plus répandu.
La puissance d'une éolienne horizontale dépend principalement de sa taille. Les plus petits modèles ont une capacité de production d'environ 100 kW. Les plus grandes machines produisent quant à elles jusqu'à 7,5 MW. La puissance moyenne des éoliennes horizontales oscille donc entre 1 et 3 MW.
Éolienne verticale
L'éolienne verticale ressemble à une voilure dont les pales sont aérodynamiques. Nous distinguons principalement trois formes :
- L’éolienne Darrieus,
- L’éolienne Savonius,
- L’éolienne à voilures tournantes.
La première forme d'éolienne verticale est conçue pour résister aux vents les plus violents. L'éolienne Savonius fonctionne même avec une faible vitesse de rotation. Les pales de l'éolienne à voilures tournantes s'adaptent aussi aux vents et s'orientent en conséquence. La puissance de l'éolienne verticale excède rarement 1 MW.
Éolienne domestique
L'éolienne domestique est conçue de manière horizontale ou verticale selon les fabricants. Sa puissance est comprise entre 100 W et 20 kW. En matière de rendement, une machine de 5 kW peut générer entre 5 000 et 20 000 kWh par an si elle est bien entretenue. L'éolien domestique est donc une source d'énergie à prendre en compte à l'avenir !
Quelle est la puissance d'une éolienne ?
La quantité d'énergie produite par une éolienne varie d'une heure à l'autre en fonction de la force du vent. La puissance ne suffit donc pas pour choisir cette machine. Vous devez tenir compte de la quantité d'électricité produite sur une grande échelle de temps : le rendement.
Calcul de puissance
Nous avons déjà analysé la formule de la puissance d'une éolienne. Ici, nous nous intéressons aux éléments qui influent sur la puissance de sortie ou le rendement de ce dispositif.
La vitesse du vent permet de faire tourner les pales d'une éolienne. Le minimum requis varie entre 10 et 15 km/h. Cependant, l'éolienne s'arrête quand les vents excèdent 90 km/h.
Les éoliennes doivent être implantées dans des régions venteuses, surtout s'il s'agit d'un parc éolien. La hauteur du mât ainsi que la taille d'une éolienne impactent sa vitesse de rotation. Il en est de même pour la masse volumique de l'air (Rho) qui varie en fonction de la pression, de la température et de l'humidité de l'air.
Plusieurs autres éléments peuvent modifier les performances d'une éolienne. Il s'agit du :
- Rendement mécanique de la turbine,
- Rendement électrique des aérogénérateurs,
- Nombre de pales et inclinaison…
La limite de Betz doit être prise en compte pour éviter que le vent ne sorte de l'éolienne à la même vitesse que celle avec laquelle il y rentre. Le diamètre du rotor est toutefois l'un des facteurs clés pour obtenir un rendement optimal avec cet appareil.
Diamètre du rotor
Le rotor est la zone rotative d'une éolienne. Il se situe en hauteur dans l'optique de capter des vents forts et réguliers. Le plus souvent composé de 3 pales, il est mis en mouvement grâce à l'énergie cinétique du vent.
Le diamètre du rotor n'est rien d'autre que le double du rayon constitué par ses pales. Son importance ? La quantité d'énergie générée quand le vent traverse ce composant est proportionnelle à sa surface. Autrement dit, la puissance éolienne est générée de façon exponentielle par rapport au rayon de chaque pale.
Comment calculer la production annuelle d'une éolienne ?
Il n'est pas possible de calculer avec exactitude la production annuelle d'une éolienne, car elle dépend principalement de la vitesse du vent. Vous pouvez néanmoins estimer cette valeur en partant du principe que la production d'énergie varie pratiquement avec le m³ de la vitesse du vent.
Par exemple, une vitesse de 4,5 m/s à la hauteur du moyeu permet à l'éolienne de produire jusqu'à 0,5 GWh par an, soit 500 000 kWh. Avec 9 m/s, le dispositif peut générer jusqu'à 2,4 GWh par an, soit 2 400 000 kWh.
La seconde méthode pour connaître la production annuelle d'une éolienne est de prendre en compte son facteur capacité sur son site d'emplacement. Autrement dit, vous devez faire le rapport entre la puissance de sortie annuelle du dispositif et sa production théorique maximale sur les 8 766 heures de l'année.
Prenons l'exemple d'une éolienne de 600 kW produisant 1 500 000 kWh par an. Ici, la production théorique maximale est de : 365,25 x 24 x 600 = 5 259 600. Le facteur de capacité est de : 1 500 000/5 259 600 = 0,285 soit 28,25 %.
L'énergie éolienne est ainsi une énergie intermittente dont le rendement dépend de plusieurs facteurs. On peut toutefois se demander quelle est la source d'énergie la plus écologique.
Pour aller plus loin, n’hésitez pas à consulter notre article sur l’éolien offshore.
