Qu'est-ce que l'énergie éolienne ?

Ou d'où vient le vent ?

L’énergie éolienne dérive de l’énergie solaire. Le soleil irradie  la Terre à un taux de 174 423 000 000 000 W/h. Le soleil chauffe la terre de façon inégale, l’atmosphère se réchauffe plus rapidement dans les régions équatoriales, et les terres plus rapidement que les océans. Cette différence de chaleur entraine un système de convection dans l’atmosphère : l’air froid est plus dense que l’air chaud et ce dernier s’élève jusqu’à une altitude d’environ 10km, avent  de se déplacer vers le nord ou vers le sud, tandis que l’air froid se déplace à des altitudes plus faibles. Du fait de la rotation de la Terre, les masses d’air ne se déplacent pas en ligne droite vers le nord ou le sud, mais en spirales, dans des sens opposés (l’air chaud dans le sens horaire, l’air froid dans le sens opposé)  Les terres interfèrent avec ce flux, venant d’une différence de pression. Le vent est le mouvement de l’air tendant à équilibrer la pression entre deux endroits.

La part de l’énergie solaire convertie en énergie éolienne de manière naturelle est estimée à environ 1-2 %. Une étude menée par l’université de Harvard conclut que des fermes éoliennes pourraient satisfaire les besoins en énergie de la population mondiale.

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Histoire de l'éolien

Capter le vent est l’une des plus anciennes méthodes de production d’énergie. Depuis les temps anciens l’Homme a utilisé l’énergie éolienne, pour moudre du grain ou pour pomper de l’eau. Avec la découverte de l’électricité à la fin du 19eme siècle, les premiers prototypes d’éolienne ont été construits, avec une technologie calquée sur les moulins à vent. Depuis, l'éolien est devenue une source d'énergie à part entière.

La crise pétrolière des années 70, puis le mouvement anti-nucléaire des années 80, ont fait grandir l’intérêt pour des énergies alternatives et la recherche de sources d’énergie écologiques et économiquement viable. Les éoliennes conçues à cette époque l’étaient essentiellement pour la recherche, et coutaient extrêmement chères. Avec l’aide des gouvernements finançant la recherche internationale, et participant à la création d’organismes de recherche dans les années 80, des nouvelles méthodes de production d’énergie renouvelables ont continué à être explorées, développées et testées.

Les instituts de recherche comme le German Wind Energy Institute (DEWI) ou le Danish Research Institute Riso, comme divers programmes internationaux dans le domaine de l’éolien, ont été d’une grande importance dans les avancées technologiques et industrielles de l’énergie éolienne. Grace à des coopérations renforcées entre les instituts de recherche et les pionniers de l’énergie éolienne, des standards internationaux, une régulation forte ainsi que le développement de designs de plus en plus performants ont permis la mise en place de parcs éoliens viables.

Avec le développement des parcs éoliens de 55kW en 1981, les couts élevés de l’énergie éolienne ont pu être réduits drastiquement. L’éolien est maintenant une des énergies les moins chères, quand tous les couts externes sont pris en compte.

Les parcs éoliens actuels génèrent une part de l’énergie globale en constante augmentation. L’Allemagne est un des plus grand marchés éoliens, avec la deuxième plus grande capacité de production (23,903 MW en 2008), après les USA. Après l’Allemagne et les Etats Unis, viennent l’Espagne, la France, le Danemark, la Chine et l’Inde.

L’industrie éolienne, avec un volume d’exportation en augmentation constante, est devenue un marché et un facteur économique de premier plan.

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Futur de l'éolien

Les experts internationaux du climat et de l’environnement s’accordent sur le fait que l’atmosphère se réchauffe, et que les ressources s’épuisent. A cela s’ajoute le fait que les centrales de production d’énergie bâties dans les années 60 et 70 vont bientôt devoir être remplacées. Les impératifs économiques et politiques ont considérablement changés depuis leur construction. ; les problèmes environnementaux ne peuvent plus être ignorés. Les traités internationaux, comme le protocole de Kyoto, établissent  des engagements contraignants pour la réduction de l’émission des gaz à effet de serre de la part des pays industrialisés. Des applications internationales des énergies renouvelables, sont de plus en plus nécessaires. L’énergie éolienne semble promise à un bel avenir.

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Chronologie des pionniers de l'éolien:

Charles F. Brush (1849-1929), un des fondateurs de l’industrie électrique américaine. Brush concut une machine pour l’hiver 1887-88, aujourd’hui considérée comme la première turbine éolienne pour la production d’électricité. Sa taille était énorme, avec un diamètre du rotor de 17m, et 144 pales faites en bois Cedar.  La turbine fonctionna pendant 20 ans, en chargeant les batteries de la maison de Brush. Malgré sa taille, la turbine ne générait que 12 kW d’électricité.

Poul la Cour (1846-1908), était un météorologiste danois. Il est considéré comme le père de l’industrie éolienne moderne. Sa première turbine éolienne fut installée après la première guerre mondiale, pendant une pénurie de gaz. Il fonda le premier centre de recherche sur l’éolien, dans le Jütland, où il donna les premiers cours d’ingénierie éolienne, réalisa les premières expériences sur le vent, et publia le premier magazine consacré à l’éolien.

Albert Betz (1885-1968), était un physicien allemand. Comme directeur de l’institut aérodynamique de Göttingen, il formula la loi dite « loi de Betz », qui stipule que, indépendamment du design de l’éolienne, seulement 59% de l’énergie cinétique du vent peut être convertie en énergie mécanique. Son livre « Energie éolienne et son utilisation dans les moulins à vent », publié en 1926, donne un bon aperçu de la compréhension de l’énergie et des turbines éoliennes à cette époque.

Palmer Cosslett Putnam (1910-1986), fut un ingénieur américain. Il développa la turbine éolienne Smith Putnam de 1,25 MW en 1941. Cette turbine eut une courte durée de vie et fut arrêtée à cause des matériaux de construction inadaptés.

Ulrich W Hüttner (1910-1990), était un ingénieur allemand/autrichien. Il développa la turbine éolienne de 100 kW StGW-34, étape importante pour la technologie éolienne moderne. Cette turbine fut installée en 1957 dans un champ dans les Alpes.

Johannes Juul (1887-1969), était un ingénieur danois et élève de Poul la Cour. Il construisit la première turbine éolienne de 200 kW au Danemark, à Vester Egesborg en 1957. Cette turbine est le prototype des turbines éoliennes modernes.

70 er und 80er Jahre:
Die erste Ölkrise führt zu einem Umdenken in der Energiepolitik. Das Interesse an alternativen Energien erwacht und führt zu nationalen und internationale Forschungs- und Förderungsprogrammen.

Deutsche und Dänische Pioniere entwickeln die ersten wirtschaftlich arbeitenden Windkraftanlagen, die der Windindustrie zum industriellen und technologischen Durchbruch verhelfen.

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Comment calculer l'énergie éolienne ?

Le vent est fait de molécules d’air en mouvement, qui ont une masse. Un objet, avec une certaine masse, et en mouvement possède une énergie cinétique. Il est possible d'exprimer la masse par la relation:

Nous pouvons donc exprimé l'énergie cinétique par:

La puissance vaut l'énergie cinétique divisée par le temps, soit:

Il est important de constater que la puissance est proportionnelle au cube de la vitesse. Ce paramètre est donc le plus important à prendre en compte.

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Comment calculer la densité de l'air ?

Le calcul de la densité de l’air est essentiel pour l’estimation de l’énergie éolienne d’un site. Et cette densité varie beaucoup en fonction de l’altitude et de la température. La différence de densité entre -10° et 30° est 0,177 kg/m³.

La densité de l’air est : 

en kg/m³ ; pression = p ; R constante des gaz parfaits, et T la température en K.

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Quelle est l'unité de mesure de l'énergie éolienne ?

L’énergie éolienne se mesure en kilowatt heures (kWh) ou en mégawatts heures (MWh), plus la période de temps, par exemple par année ou par heure.

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