Énergie éolienne : d'où vient le vent et quelle énergie capte une éolienne

L'énergie éolienne est l'énergie cinétique du vent, qui naît des écarts de température entre les masses d'air. Une éolienne n'en capte au mieux qu'environ 60 % (limite de Betz), et la chaîne de conversion en électricité en laisse ensuite 30 à 50 %. Au final, 14 à 36 % de l'énergie du vent du site arrivent au consommateur, selon la taille de la machine.

Nous partons de l'origine du vent, puis nous suivons son énergie jusqu'à la prise de courant, chiffres à l'appui. Au sommaire :

• 1 : D'où vient le vent ?
• 2 : De l'énergie éolienne à l'électricité : les rendements en chaîne
• 3 : Puissance de l'éolienne : formule, vitesse du vent et surface balayée
• 4 : La limite de Betz : pourquoi 60 % seulement
• 5 : Quelle énergie éolienne produite ? Le bilan

1 : D'où vient le vent ? L'origine de l'énergie éolienne

L'énergie éolienne exploite le déplacement des masses d'air autour de la planète et les effets thermiques géographiques locaux pour entraîner des générateurs ou des machines diverses. Ce déplacement d'air, le vent, est le produit de différences de température. La température modifie la densité de l'air : l'air chaud, plus léger, a tendance à monter lorsqu'il rencontre de l'air froid.

La source de chaleur qui fait monter l'air est la croûte terrestre, réchauffée par le rayonnement solaire, mais aussi par les phénomènes qui se déroulent au centre de la Terre. Or le rayonnement solaire est le fruit de réactions nucléaires, et la chaleur du magma terrestre en est un autre produit : l'énergie éolienne est donc, en dernière analyse, une énergie nucléaire ! Elle a tout de même l'immense avantage de gérer elle-même ses déchets, et de fonctionner depuis assez longtemps pour que nous ayons le recul nécessaire : elle ne devrait plus nous réserver trop de surprises.

Le problème de l'énergie est complexe, et la solution parfaite qui mettra tout le monde d'accord reste à découvrir. En attendant, l'énergie éolienne semble une voie porteuse, que nous devons maîtriser pour accroître notre indépendance énergétique.

Carte des ressources en énergie éolienne de l'Europe et de l'Asie occidentale : les zones colorées distinguent les niveaux de puissance disponible, et le panneau de droite donne les valeurs du point choisi.

2 : De l'énergie éolienne à l'électricité : les rendements en chaîne

Nous avons vu dans l'histoire de l'hélice que la domestication de l'énergie éolienne date de très longtemps. Aujourd'hui, l'énergie a pris une forme universelle, l'électricité. Universelle, mais pas parfaite : très pratique sous bien des angles, elle coûte un peu à chaque transformation. Voici les rendements de chaque maillon, tels que nous les relevons :

• Hélice éolienne : son rendement varie de 0,2 à 0,85 de la limite de Betz, dans le meilleur des cas.
• Réducteur éventuel : rendement de 0,7 à 0,98.
• Génératrice ou alternateur : rendement mécanique/électrique de 0,8 à 0,9 au maximum. Nous perdons donc de 10 à 20 % de l'énergie captée.
• Redresseur, si nécessaire : rendement de 0,9 à 0,98.
• Transformateur : rendement de 0,85 à 0,98.
• Transport de l'électricité : les pertes de ligne donnent un rendement de 0,9.
• Stockage en batteries : cher et mal maîtrisé, avec un rendement de 0,7 à 0,8.
• Retransformation en énergie mécanique (moteur électrique) : rendement de 0,7 à 0,9 si le moteur est correctement utilisé. Dans l'industrie, un moteur mal dimensionné, une mauvaise lubrification, une tension de courroie défaillante ou l'absence de variateur de vitesse au démarrage provoquent des pertes importantes. Les économies d'investissement du départ se transforment alors en gouffre énergétique.

Sur la durée de vie d'un moteur électrique ou d'une pompe, l'énergie consommée pèse presque tout le coût : 96 % pour le moteur, 85 % pour la pompe. Extrait du rapport sur la consommation des moteurs dans l'industrie.

Beaucoup de progrès restent donc à faire. Les inventeurs et les chercheurs qui gagneront quelques dixièmes de point de rendement sur un maillon de la chaîne feront économiser des fortunes aux usines, aux particuliers et aux États. Le secteur de l'énergie conserve ainsi un potentiel de création de richesse considérable, à tous les niveaux : nouveaux roulements à faible frottement, ventilateur d'un PC ou de la climatisation, les produits qui offrent les meilleurs rendements sont maintenant choisis en priorité.

3 : Puissance de l'éolienne : formule, vitesse du vent et surface balayée

Construire une éolienne pour le plaisir de capter l'énergie du vent est poétique, mais rarement le but final du constructeur. L'investissement doit être rentabilisé par une production d'énergie dont la valeur dépasse son coût. Deux facteurs fixent la puissance de l'éolienne, donc l'énergie éolienne produite :

• La vitesse et la puissance du vent. La puissance de l'éolienne est proportionnelle au cube de la vitesse du vent : doubler la vitesse multiplie la puissance par huit. Pour un site donné, nous ne contrôlons pas cette composante, elle est fixée par l'environnement. La densité de l'air, qui dépend de l'altitude, joue aussi un rôle non négligeable. Enfin, le vent n'est pas un flux d'énergie régulier : la vitesse varie dans le temps, et la puissance moyenne délivrée ne se calcule pas simplement à partir de la vitesse moyenne, puisque la moyenne des cubes n'est pas le cube de la moyenne. La page vitesse de référence et puissance du vent approfondit ce point.
• La surface captée. La puissance est proportionnelle à la surface balayée par l'hélice, car l'énergie éolienne est une transformation de l'énergie cinétique du vent. Plus l'hélice est grande, plus la masse d'air captée est importante ; la taille de l'hélice est fixée par l'investissement.

P = 0,5 × ρ × S × V³

P est la puissance du vent traversant le disque (W), ρ la masse volumique de l'air (kg/m³), S la surface balayée par l'hélice (m²) et V la vitesse du vent (m/s).

4 : La limite de Betz : pourquoi une éolienne ne capte que 60 % de l'énergie du vent

La puissance captable : nous ne pouvons capter qu'environ 60 % de l'énergie du vent, soit 16/27 ou 59,3 % exactement. Cette contrainte est indissociable du prélèvement d'énergie cinétique par une hélice plongée dans un courant de fluide non forcé : prendre de l'énergie de vitesse, c'est ralentir la masse d'air.

Imaginons que nous prenions toute l'énergie de vitesse de l'air : cette masse d'air serait arrêtée. Pour laisser passer une nouvelle masse d'air à travers l'hélice, il faudrait pousser celle qui est arrêtée, ce qui consommerait de l'énergie. L'hélice se boucherait, et l'air préférerait passer autour de l'éolienne plutôt qu'au travers. Les énergéticiens ne peuvent donc pas prendre toute l'énergie cinétique de la masse d'air.

Ce phénomène a été quantifié par l'étude de la variation de quantité de mouvement, puis formulé plus précisément par la théorie de Froude et la limite de Betz.

Les rendements des systèmes de conversion : tous les maillons de la chaîne sont à soigner, mais le rendement de l'hélice peut passer, nous l'avons vu, de 0,2 à 0,85 de la limite de Betz. La qualité aérodynamique des pales de l'éolienne est donc à prendre au sérieux : c'est un facteur de puissance qui ne dépend que de notre savoir-faire et de notre connaissance de la technique des hélices d'éoliennes.

5 : Quelle énergie éolienne produite ? Le bilan

1. L'énergie éolienne captable est au mieux de 60 % de l'énergie du site.
2. La transformation de l'énergie captée ne nous laisse que 30 à 50 % de l'énergie captable.

Le produit de ces deux facteurs donne 18 à 30 % de l'énergie du vent. Les mesures du tableau ci-dessous, relevées sur des machines réelles, donnent entre 14 et 36 % selon la taille de l'éolienne et la vitesse moyenne du vent : les petites éoliennes tournent entre 14 et 20 %, celles de taille moyenne entre 23 et 36 %.

Production annuelle d'énergie éolienne et rendement global de conversion pour des vitesses moyennes de vent de 4 à 9 m/s : le rendement baisse quand le vent moyen augmente (de 0,20 à 0,14 pour une petite éolienne, de 0,36 à 0,23 pour une éolienne de taille moyenne).

Pour calculer l'énergie d'un site, quelques précautions s'imposent : la page vitesse de référence et puissance du vent les détaille.

Conclusion. Entre 14 et 36 % de l'énergie : le rendement de captage de l'énergie éolienne est catastrophique, lamentable, dérisoire, médiocre… On se calme, il faut relativiser : l'énergie éolienne est gratuite ! Après avoir remboursé l'investissement et payé la maintenance, c'est tout bénéfice, et c'est propre. Les nuisances ne sont pas à négliger (bruit de proximité, esthétique, perturbation des oiseaux), mais elles se gèrent plus facilement que les déchets radioactifs, les émissions de CO2 ou l'inondation des vallées. Alors construisez des éoliennes, fabriquez votre énergie, et soyez de ceux qui ont ce sourire énigmatique quand ils sentent que le vent se lève.

Pour aller plus loin, nous pouvons calculer la puissance d'une éolienne selon la vitesse du vent, voir comment une éolienne de pompage adapte son rotor au besoin d'eau, ou consulter les références bibliographiques.