Le petit éolien

Définir ses besoins

Pour choisir les caractéristiques techniques d'une installation, encore faut-il connaître avec précision ses besoins.

Il existe quatre types d'installations :

• Site isolé
  Ni l'éolienne, ni le bâtiment ne sont connectés au réseau. La production est soit consommée sur place, soit stockée dans des batteries. Ce type de montage permet d'électrifier un bâtiment très éloigné du réseau mais impose une source alternative (groupe électrogène) en cas d'absence de vent prolongée.


• Autoconsommation
  L'éolienne alimente un bâtiment lui même connecté au réseau, avec ou sans batteries. Un système de bascule automatique permute sur le réseau électrique dès que la puissance produite est insuffisante, c'est le délestage de puissance, ou que les batteries vides (sélection de source). Cette solution n'injectant pas de courant sur le réseau, se contente d'une électronique simplifiée.


• Autoconsommation avec revente de l'excédent de production
  Dans ce cas, dès que la production excède la consommation, le surplus est vendu à un opérateur à un tarif variable selon la zone géographique (voir plus haut). L'installation injecte donc régulièrement du courant vers le réseau. Le courant vendu devant être de bonne qualité, c'est à dire respecter des contraintes précises de tension et de régularité même en cas de vent irrégulier, il convient d'installer un onduleur de bonne qualité. D'autre part, la présence d'un échange commercial oblige également à implanter un compteur d'injection pour mesurer avec certitude la quantité d'énergie vendue. Les prix de rachat étant plutôt faibles, on voit apparaître depuis quelques années des systèmes « intelligents » visant à maximiser l'autoconsommation, par exemple en chauffant de l'eau à l'avance, en chargeant des batteries tampons... Leur rentabilité financière reste cependant à étudier.


• Revente de la totalité de la production C'est le modèle des fermes éoliennes de grande puissance. Deux branchements sont alors réalisés. Le branchement «production», comporte deux compteurs d'énergie posés tête-bêche : un pour mesurer l'énergie vendue ; et un compteur de non-consommation permettant de contrôler l'absence de consommation. Le branchement «consommation» présente un compteur standard.

Connaître sa consommation

Résidence principale, secondaire, entreprise... nombre de personnes, taux d'occupation, puissance des appareils... de multiples critères influencent la consommation électrique.

Pour les bâtiments existants, l'étude attentive de la facturation passée donne une idée relativement précise de la consommation à l'échelle du trimestre et parfois du mois.
Attention. La consommation annuelle agrégée est rarement d'un grand secours car les variations au cours de l'année montrent généralement de grandes amplitudes. Il faut donc s'assurer que la saisonnalité des vents correspond à celle de la consommation.

Pour les bâtiments en projet, quelques outils de simulation sont proposés sur le web, notamment par EDF
(http://bleuciel.edf.com/mes-projets/je-renove/promodul-740.html). Une démarche indispensable. A titre d'exemple, la consommation moyenne d'un foyer français de quatre personne varie de 3 à 6 MWh selon la superficie de la maison, l'âge des enfants, la région, la catégorie socioprofessionnelle, etc... Certains estiment qu'un foyer économe pourrait vraisemblablement se contenter d'un seul MWh par an !

Connaître ses envies

Le type d'installation et son dimensionnement dépendent très étroitement des objectifs du porteur de projet.

Mettons de coté les sites isolés pour lesquels la démarche est évidente.

Certains rêvent de se désabonner d'EDF par défi. Les plus écolos se moquent de la rentabilité. D'autres visent un retour sur investissement rapide, quitte à y mettre le prix. Les plus raisonnables souhaitent alléger leur facture. Les plus ambitieux la réduire à néant grâce à leur production excédentaire. Des entrepreneurs valorisent la communication positive apportée par la présence visible d'une éolienne dans leur usine...

Malheureusement, la réalisation simultanée de tous ces objectifs et dans l'état actuel des choses impossible. Un choix s'impose.

Eléments techniques influençant le choix

Eléments généraux sur les performances

D'une manière générale, la plage de vent permettant de faire tourner une éolienne s'étend de 15 km/h à moins de 100 km/h. Au delà, un système de sécurité déclenche l'arrêt du rotor pour des raisons de sécurité. Pour un même emplacement on génère de meilleures performances en plaçant l'éolienne le plus haut possible. En plaçant la nacelle à 25 mètres de hauteur au lien de 12m, la quantité supplémentaire de vent remboursera pratiquement toujours la pose d'un mat plus long. Encore faut il être prêt a en passer par le permis de construire.

D'après RTE, sur l'année 2007, la productibilité mensuelle des installations éoliennes était variable, de 10% à 35% (énergie effectivement produite rapportée à l'énergie maximale théoriquement productible), pour une valeur moyenne sur l'année de 24%. En conséquence, pour du petit éolien, il ne faut généralement pas espérer une durée de production annuelle supérieure 2000 heures. Autre calcul, une éolienne d'un Kw produira chaque mois entre 70 et 255 kWh et sa production annuelle plafonnera à 2000 kWh.

Il convient à ce stade de définir plus précisément la notion de puissance pour une éolienne. Le chiffre généralement indiqué par le fabricant est la puissance nominale, c'est à dire celle pour laquelle son rendement est le plus élevé (énergie reçu / énergie récupérée). En effet, la puissance réellement fournie par l'éolienne dépend de la vitesse du vent. La puissance maximale est appelée puissance crête.Une éolienne de 2 kW de puissance nominale peut ainsi produire 3 kW au maximum pendant une durée raisonnable. Attention donc à bien vérifier que la puissance indiquée est bien la puissance nominale, et non la puissance crête.

D'autre part, une erreur fréquente consiste à privilégier un modèle en fonction de ses performances à basse vitesse en espérant ainsi produire plus souvent. Malheureusement, les vents inférieurs à 3 m/s (10,8 km/h) ne génèrent que très peu d'énergie. Les performances entre 5 et 15 m/s sont beaucoup discriminantes. Pour les matheux : dans sa phase ascendante, la puissance augmente avec le cube de la vitesse du vent...

Verticale ou horizontale ?

La quasi totalité des éoliennes sont composées d'une hélice tournant sur un axe horizontal. Les premiers modèles d'éoliennes à axe vertical sont apparu dans les années trente et n'ont pas décollé à cause de leurs faibles rendements et de contraintes techniques bloquantes ? les modèles Darrieus originaux devaient par exemple être amorcés pour se lancer. Depuis quelques années, on voit apparaître de nouveaux modèles (et de nombreux projets) de petites éoliennes à axe vertical qui devraient résoudre les faiblesses de leurs ainées.

Il est ainsi envisageable d'installer une éolienne à axe vertical si l'emplacement propose des vents particulièrement turbulents : milieu urbain, impossibilité d'installer un mat, installation sur un bâtiment. Pour les autres cas, un modèle classique placé suffisamment haut offrira les meilleures performances et un retour sur investissement plus rapide.

Les différents types de support

Les mats haubanés ont l'avantage d'être les moins onéreux mais l'inconvénient d'occuper beaucoup d'espace (environ 12m2 pour une éolienne de 2kW). Les mats tubulaires autoporteur sont non seulement beaucoup plus résistants dans le temps mais supportent des turbines bien plus lourdes, donc plus puissantes. Ils sont aussi appréciés pour leur esthétique proche du grand éolien.

Les pales

Les petites éoliennes tournent vite. La vitesse linéaire en bout de pale d'une éolienne tripales atteint 250 km/h (soit 250 à 400 tours par minute selon la longueur des pales). Les contraintes mécaniques liées à ces vitesses sont maintenant bien maitrisées par la plupart des constructeurs.

Quatre matériaux sont utilisés :
- le bois massif et le bois lamellé-collé : essentiellement reservé aux auto-constructeurs.
- l'aluminium : pratiquement plus utilisé car il résiste mal à la fatigue mécanique et fini par rompre
- les matériaux composites : utilisés par tous les fabricants sérieux.

Pour la taille : plus une pale est longue, plus elle est puissante, mais plus la vitesse en bout de pale est élevée, et donc plus elle est bruyante. Pour le nombre : plus il y a de pales, plus l'éolienne démarrera avec un vent faible, mais elle sera moins puissante... tout en étant plus chère.

Il faut donc trouver un compromis entre la longueur et le nombre de pales pour obtenir les performances désirées. Le choix s'effectuera donc entre une -Oui ! Techniquement possible mais peu commercialisé - et huit pales, en fonction de l'étude de vent et des besoins du projet.

Plusieurs entreprises et laboratoires de recherche travaillent sur de nouvelles formes de pale. Des constructeurs ont par exemple lancé un projet copiant la forme particulière des nageoires des baleines ou encore des éoliennes disposant de pales coniques.

Les pales des petites éoliennes sont généralement à «pas fixe», ce qui signifie que l'incidence de la pale par rapport au plan de l'hélice est constante. Un système à « pas variable » est bien plus performant, car il se comporte en quelque sorte comme une boite de vitesse, mais est également beaucoup plus couteux. Un pas variable permet de plus la mise en drapeaux de l'hélice pour protéger l'éolienne des vents forts (on oriente les pales de manière à ce que leur portance soit nulle, tout en laissant le rotor face au vent).

Orientation

Nul besoin de préciser qu'une éolienne est plus performante lorsqu'elle est bien orientée face au vent ! Trois solutions techniques permettent l'orientation :

• Système libre avec hélice sous le vent : Le vent rencontre d'abord la nacelle, qui joue le rôle de gouvernail, puis frappe les pales. C'est le système le plus simple mais il génère des turbulences immédiates nuisibles aux performances


• Système libre avec hélice face au vent : C'est le système le plus fréquent pour les petites puissances. Un safran placé derrière la nacelle place l'hélice perpendiculairement au vent, comme une girouette. Les systèmes libres (sous ou face au vent) sont moins cher mais demande l'installation d'un amortisseur pour éviter que l'éolienne devienne « folle » en cas de vents turbulents.


• Orientation motorisée : Une girouette et un anémomètre commandent l'orientation du rotor via un moteur électrique. Ce système permet de ne changer l'orientation de l'hélice que si le vent a tourné durablement. On optimise ainsi la productivité. Il permet également de protéger l'éolienne en cas de vent fort. Ce type de système est réservé aux éoliennes les plus puissantes du petit éolien (à partir de 10kW).

Les éoliennes à axe vertical étant par nature omnidirectionnelles, elles ne nécessitent aucun système d'orientation.

Résistance aux vents forts et régulation

Certaines éoliennes sont capables d'encaisser près de 200 km/h. La majorité cependant n'atteint pas des vitesses dites « de survie » aussi élevées. Elles sont donc équipées de systèmes permettant de soustraire le rotor de la force du vent.

Les éoliennes disposant d'une orientation motorisée placent le rotor parallèlement au vent pour le protéger ou utilisent un frein. Celles munies d'un calage de pales variable se mettent en drapeaux. Les moins sophistiquées utilisent soit un système mécanique d'évitement (le rotor pivote sur un axe en tirant sur un ressort pour venir se placer parallèlement au vent) ou un système de freinage automatique mécanique.

Les éoliennes à axe vertical bénéficient par construction du « décrochage dynamique » des pales, elles ne nécessitent aucun système d'évitement des vents forts.

Génératrice et démultiplication

La génératrice a pour rôle la transformation du mouvement de rotation de l'axe en électricité. Pour la gamme de puissance du petit éolien, il s'agit généralement d'un alternateur synchrone à aimant permanent. L'intensité et la fréquence du courant produit par l'alternateur varient en fonction de la vitesse de rotation du rotor. L'électricité en sortie doit donc être régulée pour être utilisable. Cette régulation est effectuée par un onduleur.

Les rotors dont la vitesse de rotation est trop faible pour entraîner directement un alternateur classique sont accompagnés d'un démultiplicateur, une sorte de boite de vitesse. Cet élément est généralement le maillon faible de l'installation car il subit des efforts mécaniques élevés et constants.

Batteries

Pratiquement indispensables pour les sites isolés, les batteries compliquent sérieusement la rentabilité de l'installation.

Le critère du choix est la capacité de stockage d'énergie de la batterie.
En toute rigueur, cette capacité se mesure en ampères-heure, cependant il est souvent plus facile de l'exprimer en sous forme de puissance produite en une heure par son éolienne, donc en kWh. Une batterie capable de stocker 1000 Wh (soit 1kWh) pourra ainsi conserver l'équivalent d'une heure de vent à vitesse nominale pour une éolienne d'un kw.

Compter 150 € HT par kWh pour des batteries au plomb, le double pour des NiCad. Leur durée de vie oscille entre 10 et 15 ans pour les modèles au plomb et 20 à 25 ans pour les plus modernes.

Maintenance

Certains modèles de faible puissance sont présentés comme sans maintenance. Cependant, et ce quelle que soit sa puissance, une maintenance annuelle est indispensable pour optimiser la durée de vie de l'éolienne.

Maintenance préventive : Généralement annuelle. Remplacement d'huiles, graissages, contrôle de serrages? Prévoir entre 200 et 1000 € HT selon la puissance et une journée d'interruption. L'opération mobilise deux à trois personnes.

Maintenance curative : Au delà de dix ans apparaissent des problèmes de fatigue des matériaux et d'usure, notamment dans les zones où les vents sont les plus turbulents. Remplacement ou réparation des pales, remplacement ou réfection de l'alternateur, du démultiplicateur. La foudre est également une source fréquente de pannes électriques.

Les éoliennes sont généralement garanties deux ans, parfois trois. Quand aux batteries, la garantie dépasse rarement une année.