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Etat de l’art des a´ erog´ en´ erateurs Bernard Multon, Olivier Gergaud, Hamid

Etat de l’art des a´ erog´ en´ erateurs Bernard Multon, Olivier Gergaud, Hamid Ben Ahmed, Xavier Roboam, St´ ephan Astier, Brayima Dakyo, Cristian Nikita To cite this version: Bernard Multon, Olivier Gergaud, Hamid Ben Ahmed, Xavier Roboam, St´ ephan Astier, et al.. Etat de l’art des a´ erog´ en´ erateurs. L’´ electronique de puissance vecteur d’optimisation pour les ´ energies renouvelables, Ed. NOVELECT - ECRIN, ISBN 2-912154-8-1, pp.97-154, 2002. HAL Id: hal-00674088 https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-00674088 Submitted on 24 Feb 2012 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entiﬁc research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destin´ ee au d´ epˆ ot et ` a la diﬀusion de documents scientiﬁques de niveau recherche, publi´ es ou non, ´ emanant des ´ etablissements d’enseignement et de recherche fran¸ cais ou ´ etrangers, des laboratoires publics ou priv´ es. Extrait du rapport de synthèse ECRIN « L’Electronique de Puissance Vecteur d’Optimisation Pour les Energies Renouvelables », paru mai en 2002 1 ISBN 2-912154-8-1 ECRIN 32, bd de Vaugirard 75015 Paris - tel 01 42 79 50 99 –ecrin@ecrin.asso.fr ÉTAT DE L’ART DANS LES AÉROGÉNÉRATEURS ÉLECTRIQUES Bernard MULTON1, Olivier GERGAUD1, Hamid BEN AHMED1, Xavier ROBOAM2, Stéphan ASTIER2, Brayima DAKYO3, Cristian NICHITA3 1LÉSiR Antenne de Bretagne de l’École Normale Supérieure de Cachan Campus de Ker Lann 35170 BRUZ multon@bretagne.ens-cachan.fr 2LEEI ENSEIIHT Toulouse, 3GREAH Université du Havre Résumé : Cet état de l’art a pour objectif de décrire les diverses technologies et les principales caractéristiques des générateurs électriques pour aérogénérateurs en précisant bien les tendances (variation électronique de vitesse, entraînements directs). En outre, les ressources énergétiques éoliennes, les caractéristiques du vent et des turbines ainsi que le développement du marché des éoliennes sont présentés pour aider le lecteur à bien comprendre l’ensemble des contraintes techniques et économiques. Mots clés : aérogénérateurs, énergie éolienne, technologie de générateur électrique, entraînements directs. 1- Historique - Ressources - Aspects économiques 1.1- Contexte historique Très tôt, dans l’histoire des techniques, le vent a été exploité afin d’en extraire de l’énergie mécanique : pour la propulsion des navires dès l’antiquité (3000 ans Av. JC), pour les moulins (à céréales, olives…), le pompage ou, au Moyen Age, pour l’industrie (forges…). La conversion de l’énergie du vent en énergie mécanique est en effet relativement aisée, il faut « seulement » disposer d’un potentiel satisfaisant et résister aux caprices des vents excessifs. A part dans les régions plates, l’énergie hydraulique s’est ainsi souvent révélée plus intéressante, ce qui explique la situation actuelle où l’hydroélectricité est dominante parmi les sources renouvelables. En outre l’eau s’accumule facilement dans des réservoirs et permet de stocker de l’énergie. Vers le milieu du XIXème siècle, il y avait environ 200 000 moulins à vent en Europe [Hau_00], c’est principalement l’arrivée des machines à vapeur industrielles qui a initié leur déclin. Ce n’est qu’à la fin du XIXème siècle, lorsque l’électricité pris son essor, que l’aérogénération électrique fit ses premiers pas. Au Danemark, Poul La Cour fut, sans doute, le pionnier, il a associé une turbine éolienne à une dynamo en 1891. En France [Argan_RGE82], contrairement à ce que la situation actuelle pourrait laisser penser, les recherches allèrent bon train dans les années 1920 (éolienne bipale de 20 m de diamètre, compagnie CEM) puis dans les années 1950-60 (tripale de 30 m et génératrice synchrone de 800 kW à Nogent le Roi, bipale de 35 m et génératrice asynchrone de 1 MW à Saint Rémy des Landes). En 1941, une éolienne bipale de 1250 kW (machine synchrone) était expérimentée aux USA dans le Vermont. En 1978, les Danois, aujourd’hui leaders dans le domaines, réalisèrent une machine tripale de 54 m pour une puissance de 2 MW. Les nombreuses réalisations expérimentales (notamment en Californie) et leurs avatars permirent de perfectionner les turbines, les systèmes de freinage d’urgence, les pilones et les divers dispositifs de contrôles et d’obtenir des aérogénérateurs viables et compétitifs à la fin du XXème siècle. Diverses solutions de turbines furent explorées, notamment celles à axe vertical connue sous le nom de Darrieus (leur inventeur), mais ne subsistent aujourd’hui pratiquement plus que des machines à axe horizontal à 2 ou 3 pales. Extrait du rapport de synthèse ECRIN « L’Electronique de Puissance Vecteur d’Optimisation Pour les Energies Renouvelables », paru mai en 2002 2 ISBN 2-912154-8-1 ECRIN 32, bd de Vaugirard 75015 Paris - tel 01 42 79 50 99 –ecrin@ecrin.asso.fr Moulins de pompage dans les polders (Hollande) Moulin Perse (Antiquité) VIIéme siècle AV-JC Parc Eolien Pompage Eolienne Nordex Californie (début 1980) (années 90) Figure 1.1.1 Evolution des dispositifs éoliens de l’Antiquité à nos jours (images [EoleWeb]) C’est principalement la crise pétrolière de 1974 qui relança les études et les expériences, cette fois à plus grande échelle : l’expérience californienne a été la première à grande échelle (le « Wind-rush ») au début des années 80, notamment avec des turbines de moyenne puissance (55 kW) et grâce à une incitation fiscale très volontariste. On passa ainsi de 144 machines (pour un total de 7MW) en 1981, à 4687 machines (386 MW) en 1985. Mais c’est vers la fin des années 1980 que le marché des systèmes raccordés au réseau a réellement décollé en Europe, dans le reste des USA et également en Asie et en Afrique du Nord. En Europe, les leaders furent les Danois, principalement à cause de leurs faibles ressources énergétiques classiques, aujourd’hui, ils conservent une très large avance au niveau mondial (plus de la moitié des systèmes éoliens vendus). Dans les sites isolés, la rentabilité étant plus facile à obtenir, des petites éoliennes dans la gamme de quelques 100 W à quelques 10 kW sont commercialisées depuis plus longtemps. La baisse des coûts des cellules photovoltaïques permet aujourd’hui de construire des systèmes hybrides éoliens et photovoltaïques qui profitent de la fréquente complémentarité vent-soleil (réduction des coûts des batteries de stockage nécessaires en site isolé). 1.2- Ressources énergétiques du vent et évolutions de la production éolienne L’énergie éolienne sous-produit du rayonnement solaire représente une ressource énorme, 30.1015 kWh, dont la part terrestre exploitable est estimée à une valeur comprise entre 5 et 50.1012 kWh/an selon les sources et, certainement beaucoup plus si l’on considère les zones Extrait du rapport de synthèse ECRIN « L’Electronique de Puissance Vecteur d’Optimisation Pour les Energies Renouvelables », paru mai en 2002 3 ISBN 2-912154-8-1 ECRIN 32, bd de Vaugirard 75015 Paris - tel 01 42 79 50 99 –ecrin@ecrin.asso.fr offshore. Pour comparaison, en 2000, l’énergie primaire consommée par l’humanité a atteint environ 140.1012 kWh et l’électricité produite 15.1012 kW.h. En France, on estime les ressources éoliennes exploitables annuellement à environ 70.109 kWh terrestres [EDF_sept97] (même ordre de grandeur que l’hydraulique) pour environ 20 GW installés et 500.109 kWh offshore soit plus que la consommation intérieure actuelle d’électricité (environ 400.109 kWh). Le potentiel offshore européen est estimé à plus de 3 1012kWh/an, soit presque le double de la consommation européenne d’électricité. Le Danemark envisage de produire ainsi 40% de son électricité à l’horizon 2010. Plus de 16 GW éoliens étaient installés dans le monde fin 2000 [Obser_Jan01], pour une production annuelle estimée à 30.109 kWh ; notons que la puissance installée était 1000 fois plus faible 1981 (15 MW). Les aérogénérateurs produisent ainsi environ 0,2% de l’électricité mondiale mais le taux de croissance est élevé et 10% de l’énergie électrique pourrait être d’origine éolienne vers 2020. Le coût de revient actuel est de 25 à 40 centimes/kW.h selon les sites, il a fortement décru au cours des années passées (Figure 1.3.5) et est devenu compétitif. Le premier pays en puissance installée est l’Allemagne avec 5432 MW en activité fin 2000. Au Danemark, 2300 MW sont déjà en service (2001) et fournissent 14% de la demande énergétique électrique nationale, ce pays produit d’ailleurs une grande part mondiale des turbines éoliennes. Aux USA 2500 MW sont en service. Au Maroc vers le détroit de Gibraltar, la centrale de Tétouan, mise en service en 2000, met en œuvre 84 éoliennes de 600 kW (2% de l’électricité produite au Maroc). La France, après avoir pris un certain retard sur ce plan (69 MW installés fin 2000), a lancé en 1996 le programme ÉOLE 2005 dans lequel on prévoit l'installation de 250 à 500 MW d'éoliennes d'ici 2005 (soit 500 à 1000 éoliennes de 500 kW). En septembre 2000, le Premier Ministre a fixé un nouvel objectif de 3000 MW pour 2010. Enfin, en mai 2001, un prix de rachat attractif du kWh éolien français a été décidé [Obser_Mai01], il permettra, grâce à un tarif fonction des performances du site de production, de mieux répartir les aérogénérateurs sur le territoire national. La figure 1.2.2 donne les tarifs de rachat pour les 1500 premiers MW signés et pour les suivants (un peu moins avantageux). Figure 1.2.1 Evolution de la production et de la puissance installée [PaulGippe] Attention, la caractérisation des centrales éoliennes est souvent faite en watts, uploads/Industriel/ 5.pdf