Énergie éolienne

Au VIIe siècle, les moulins à vent et d'autres appareils rotatifs mûs par le vent, appelés plus précisément éoliennes, servent à moudre le grain. Au Moyen Âge, ils sont couramment utilisés pour moudre le grain et pomper l'eau.

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(oeuvre de Lewis Parker)

Énergie éolienne

L'énergie éolienne est l'ÉNERGIE extraite de l'air en mouvement. Puisque les réchauffements et les refroidissements de la Terre sont à l'origine des déplacements de l'air, on considère que l'énergie éolienne est une forme indirecte d'ÉNERGIE SOLAIRE. C'est l'exploitation de l'action du VENT sur des surfaces mobiles, comme les voiles d'un navire ou les pales d'un moulin qui permet de produire ce type d'énergie. C'est l'une des formes d'énergie les plus anciennes utilisée pour suppléer à la force humaine.

Au VIIe siècle, les moulins à vent et d'autres appareils rotatifs mûs par le vent, appelés plus précisément éoliennes, servent à moudre le grain. Au Moyen Âge, ils sont couramment utilisés pour moudre le grain et pomper l'eau. Apportés au Canada au XVIIe siècle par les Français, on les utilise alors pour moudre le grain. Les navires utilisent des voiles depuis au moins 3000 à 4000 ans. Avant la mise en place des réseaux électriques en milieu rural, les fermes en Amérique du Nord, particulièrement celles des Prairies, produisent de l'électricité à l'aide d'éoliennes.

L'avantage des moulins à vent repose sur le fait qu'ils sont alimentés par une source d'énergie inépuisable qui n'a aucun autre usage. Il n'y a donc pas de dépense liée au combustible. Par contre, le vent est de nature imprévisible. Il peut souffler par rafales et tomber, varier quotidiennement et selon les saisons et la topographie locale. Pour répondre à une demande constante comme l'éclairage et le chauffage, il faut intégrer l'énergie éolienne à d'autres sources d'énergie ou prévoir un système d'emmagasinage qui servira lors des périodes calmes. Par contre, si la demande n'est pas constante, par exemple l'alimentation des réseaux d'irrigation agricole ou le déplacement occasionnel d'eau, l'énergie éolienne peut être très utile.

L'augmentation de la demande en énergie et le coût relativement élevé des sources d'énergie conventionnelles sont à l'origine du regain d'intérêt pour les convertisseurs d'énergie éolienne. Les nouveaux convertisseurs comportent des composants AÉRODYNAMIQUES perfectionnés, leurs structures sont modernes et ils sont faits de matériaux nouveaux. Cette renaissance touche autant les systèmes terrestres que les applications commerciales maritimes. De nouvelles formes de voiles améliorent de façon spectaculaire la performance des navires. Cependant, les efforts les plus importants portent sur la production terrestre d'ÉLECTRICITÉ à l'aide d'éoliennes rapides.

Applications

Les régions du Canada où l'exploitation de l'énergie éolienne est la plus prometteuse sont celles où l'on trouve des sites venteux propices à proximité de consommateurs d'énergie. On peut ainsi réduire la taille de l'éolienne pour une production donnée afin de minimiser les coûts d'investissement dans un système de transport et les pertes liées au transport. Au Canada, on trouve les plus grand vents sur les côtes Est et Ouest, dans une région du Nord du Manitoba et dans le Sud de l'Alberta et de la Saskatchewan.

Le plus grand potentiel semble être la PRODUCTION D'ÉLECTRICITÉ pour alimenter les villes et villages avoisinants. Lorsque cela est possible, l'électricité est absorbée par les réseaux de distribution existants. Ce type de système est à l'essai par la Newfoundland and Labrador Hydro et la Saskatchewan Power Corporation. Des installations de pompage d'une assez grande capacité peuvent également être envisagées pour l'irrigation en Alberta et en Saskatchewan. L'utilisation de l'énergie éolienne semble particulièrement appropriée dans les régions très isolées, comme dans les villages du Nord, où le coût de l'énergie conventionnelle est très élevé. Dans ces endroits, l'énergie des éoliennes serait probablement combinée avec, par exemple l'énergie de moteurs à combustion interne pour assurer une alimentation constante. L'autre option, qui consiste à utiliser des éoliennes pour charger des batteries, semble trop coûteuse pour convenir à des installations de grande envergure. L'exportation d'éoliennes peut offrir de nouveaux débouchés aux industries canadiennes.

En raison des nombreux réseaux électriques qui existent déjà dans plusieurs régions et de la nature pratique et souple de l'électricité, les plus récentes innovations dans l'utilisation de l'énergie éolienne s'appliquent à la production d'énergie électrique. L'énergie mécanique produite par les éoliennes est principalement destinée au pompage. Présentement, les pompes éoliennes sont de petites machines qui servent principalement à abreuver le bétail. Dans l'avenir, des appareils plus gros seront peut-être conçus pour l'IRRIGATION et pour d'autres applications. On peut penser à des systèmes dans lesquels une turbine hydroélectrique serait actionnée par l'eau provenant de réservoirs élevés remplis à l'aide de pompes.

Caractéristiques des turbines

Les caractéristiques des turbines varient selon les diverses utilisations. La plupart des génératrices, appelées aussi alternateurs, exigent une vitesse de rotation relativement grande. Par conséquent, les turbines qui sont assez rapides, c'est-à-dire celles dont les extrémités du rotor se déplacent à une vitesse de 3 à 10 fois celle du vent, sont généralement préférables aux turbines lentes parce qu'elles nécessitent un engrenage moins complexe entre l'arbre de l'éolienne et l'induit de la génératrice. L'éolienne lente est généralement préférable lorsque l'éolienne est directement reliée à une pompe ou à un autre dispositif mécanique. Les éoliennes rapides surprennent par le faible coefficient de plénitude du rotor, c'est-à-dire la faible superficie des pales comparativement à la superficie totale projetée du rotor. Les éoliennes lentes ont par contre un coefficient de plénitude élevé, avec un petit nombre de pales relativement larges ou un grand nombre de pales étroites.

Les pales de toutes les éoliennes modernes rapides et de la plupart des éoliennes lentes sont des pales à profil aérodynamique. Certaines éoliennes lentes peu efficaces fonctionnent grâce à la traînée différentielle, comme un voilier gréé avec une voile carrée. Ces observations s'appliquent à toutes les éoliennes dont l'axe de rotation est horizontal ou vertical.

Les éoliennes rapides dont l'axe de rotation est horizontal sont munies de deux ou de trois pales et font penser à des hélices d'avion. Généralement, les pales de ces éoliennes sont à pas variable ce qui leur permet de s'adapter automatiquement aux changements de vitesse du vent et de conserver ainsi un rendement optimal. Le rotor Darrieus, nommé en l'honneur de son inventeur, est l'éolienne rapide à axe vertical la plus répandue. On la surnomme aussi le « batteur à oeufs » en raison de l'allure de sa partie mobile.

L'éolienne lente la plus répandue est l'éolienne multipale à axe horizontal, couramment utilisée dans les fermes. Elle est habituellement reliée à une pompe à mouvement de va-et-vient par une bielle. L'éolienne multipale à « roue de vélo » lui ressemble et constitue un exemple d'éolienne relativement lente utilisée pour la production d'électricité. Le rotor Savonius, qui porte le nom de son inventeur, est une éolienne simple à axe vertical faite de deux demi-cylindres. Elle est souvent utilisée pour le pompage. Chacune des deux ou trois pales de la Savonius est un demi-cylindre décalé de l'axe de rotation. Cette éolienne n'est pas très efficace parce que son fonctionnement repose en partie sur l'effet de traînée, mais elle est facile à construire.

Les principaux avantages des éoliennes sont l'absence totale de pollution atmosphérique et une grande efficacité de conversion d'énergie. Une éolienne bien conçue peut transformer de 60 p. 100 à 80 p. 100 de l'énergie cinétique transportée par le vent passant dans son rotor. Cependant, en raison de la faible densité énergétique du vent, la production d'électricité se situe entre 0,1 kW/m2 et 0,8 kW/m2 (kilowatts par mètre carré) de la surface projetée de l'éolienne. La machine doit par conséquent avoir des dimensions imposantes par rapport à sa puissance. Par exemple, le diamètre du rotor d'une éolienne qui produit 5 MW (MW = 106 W), un rendement élevé pour une éolienne, peut atteindre 100 m. Pour obtenir un rendement élevé et contourner le problème de dimension, plusieurs éoliennes sont regroupées dans ce qu'on appelle un parc d'éoliennes. Les variations de la vitesse du vent constituent un autre problème parce qu'elles provoquent des fluctuations importantes de la puissance qui est à peu près proportionnelle au cube de la vitesse du vent. De plus, la construction des éoliennes exigent des dépenses supplémentaires pour qu'elles soient en mesure de résister aux tempêtes.

En Amérique du Nord, les principaux organismes de promotion de l'énergie éolienne sont l'American Wind Energy Association de Washington et l'Association canadienne de l'énergie éolienne d'Ottawa. La Solar Energy Society of Canada de Winnipeg appuie également les recherches dans ce domaine. Le CONSEIL NATIONAL DE RECHERCHES DU CANADA (CNRC) encourage la recherche sur l'énergie éolienne depuis les années 60. En 1984, on entreprend la construction de la plus grande éolienne Darrieus au monde à Cap-Chat, sur la péninsule gaspésienne. Le projet, baptisé Éole et exécuté conjointement par HYDRO-QUÉBEC et le CNRC, aboutit à l'érection d'une éolienne de 110 m au coût de 35 millions de dollars, conçue et fabriquée par des entreprises canadiennes. Avant la construction d'Éole, une éolienne expérimentale de 230 kW a été érigée aux Îles de la Madeleine (Québec) par Indal Technologies Inc. de Mississauga (Ontario). Cette entreprise a par la suite développé une version commerciale pouvant produire 500 kW.


En savoir plus

Lecture supplémentaire

  • J. Park, The Wind Power Book (1980).

Liens externes