Comment fonctionne une éolienne ?

Avec 36,8 TWh d’électricité produits en 2021 en France, l’énergie éolienne a progressivement conquis notre mix électrique ainsi que nos paysages. Dans cet article, nous revenons en détail sur le fonctionnement de cette énergie renouvelable qui continue de gagner du terrain.

Les éoliennes, appelées « aérogénérateurs » ou « turbines », ont un rôle déterminant dans la transition énergétique, grâce à leur capacité à transformer l’énergie cinétique du vent en électricité. Convertir cette force en énergie mécanique, puis, plus tard, en énergie électrique, n’est cependant pas une idée nouvelle. Les premières traces de leurs ancêtres, les moulins à vent, remontent à l’an 620, en Perse. Ce système permettait alors l’irrigation des cultures. À partir du XIIe siècle, les moulins à vent tels qu’on les imagine se sont répandus à travers l’Europe, et en particulier aux Pays-Bas, permettant notamment de moudre le grain plus facilement et plus rapidement. Paradoxalement, ils ont progressivement disparu du paysage avec l’arrivée de l’électricité.

Le terme « éolienne » a été utilisé pour la première fois en 1885 par l’inventeur Français Ernest-Sylvain Bollée lorsqu’il présenta son innovation : une éolienne destinée au pompage de l’eau. Aujourd’hui, dans un contexte international de décarbonation des mix énergétiques, l’éolien connaît une progression fulgurante. La puissance installée dans le monde est passée de 18 GW en 2000 à plus de 900 GW en 2022, dont 20,7 GW en France.

Le principe de fonctionnement d’une éolienne

Un aérogénérateur vise à transformer l’énergie cinétique du vent en électricité. Pour y parvenir, il capte l’énergie du vent grâce à des pales qui mettent en mouvement un axe faisant lui-même fonctionner un générateur, plus ou moins directement selon la technologie employée. C’est ce générateur qui produit de l’électricité. Pour être transportée, cette dernière traverse un premier transformateur qui élève sa tension à 20 000 volts. Le courant est ensuite envoyé vers une sous-station électrique depuis laquelle il sera injecté dans le réseau général.

Anatomie d’une éolienne terrestre à multiplicateur / Infographie : Révolution Énergétique.

Anatomie d’un aérogénérateur

Les pales

Pour parvenir à la production d’électricité, chaque élément d’une éolienne joue un rôle essentiel. Les pales, fixées à un axe central par le biais du rotor, transforment l’énergie cinétique du vent en énergie mécanique. Pour cela, elles disposent d’un profil proche de celui d’une aile d’avion qui permet de créer une différence de pression entre chacune de ses deux faces. C’est cette différence de pression qui entraîne son mouvement. Les éoliennes récentes disposent de pales orientables qui permettent de modifier leur incidence, et donc d’optimiser le rendement de l’éolienne en fonction de la force du vent. Cette fonction permet également de limiter la prise au vent de l’éolienne lorsque celle-ci est à l’arrêt.

Les pales sont généralement constituées d’un ensemble complexe de matériaux pour assurer le meilleur compromis possible entre légèreté et rigidité. Parmi ces matériaux, on retrouve de la fibre de verre, de la fibre de carbone, différents types de résines et même du balsa, un bois exotique extrêmement léger. Du fait de leur composition, les pales d’éoliennes sont complexes à recycler. C’est pourquoi, les fabricants cherchent désormais à intégrer le processus de recyclage dès les premières phases de conception.

La nacelle

La nacelle constitue le cœur de l’éolienne. C’est dans cette partie que l’énergie mécanique issue du rotor est transformée en électricité par le biais d’un générateur. La majorité des éoliennes, dites asynchrones, dispose d’une boîte de vitesses (parfois appelé multiplicateur) qui permet d’augmenter la vitesse de rotation de l’axe, afin d’optimiser le rendement du générateur. Toutefois, les éoliennes à « entraînement direct » (aussi appelées « direct drive ») gagnent du terrain, car elles disposent d’un meilleur rendement énergétique et de coûts d’entretien amoindris. En effet, ces turbines sont dépourvues de boîte de vitesses. Elles peuvent être reconnues grâce à leur nacelle plus petite et la présence d’un anneau proche du rotor. Pour générer de l’électricité, le générateur annulaire tourne à la même vitesse que le rotor.

Pour toujours profiter de la force du vent, quelle que soit sa direction, la nacelle pivote horizontalement à l’aide de moteurs placés sur une couronne d’orientation dentée (aussi appelée couronne de yaw), afin d’aligner le rotor dans le sens de celui-ci. Cette couronne maintient l’ensemble face au vent, évitant ainsi qu’il ne se retourne comme un drapeau.

Le mât

Le mât de l’éolienne a un rôle essentiel. Il permet de positionner la nacelle à une hauteur suffisante pour pouvoir permettre aux pales de tourner librement, mais aussi d’accéder à des vents plus forts et plus stables. En effet, plus le vent est proche du sol, plus il a tendance à être perturbé par le relief et à perdre en intensité. En altitude, les vents sont plus constants, plus faciles à prévoir, et plus homogènes. Principalement réalisés en acier, les mâts sont parfois composés de béton armé sur les premières dizaines de mètres.

Les fondations

C’est au niveau des fondations que l’on trouve aujourd’hui le plus de différences d’un parc éolien à un autre. Les éoliennes terrestres, qui nous sont les plus familières, sont généralement équipées de fondations de type embase-poids en béton armé. Ces fondations font généralement de 600 à 800 tonnes.

Pour les éoliennes offshore, il existe une grande variété de fondations. Le choix du modèle est défini par plusieurs facteurs comme la profondeur ou la portance du fond marin. Les fondations pour éoliennes offshore dites « posées » ne sont cependant pas utilisables pour des profondeurs supérieures à 50 mètres. Au-delà, l’on utilise des flotteurs, comme c’est le cas pour le projet français Provence Grand Large, situé au large de Marseille.

Les différentes technologies d’éoliennes

Les éoliennes actuelles présentent systématiquement la même architecture, à savoir un mât vertical et un axe horizontal avec un rotor composé de 3 pales. Cette solution présente le meilleur compromis entre coûts, efficacité et fiabilité. Néanmoins, d’autres pistes sont étudiées pour tenter d’améliorer leurs performances et de les adapter à différents environnements.

Il existe, par exemple, des éoliennes bipales. Plus bruyantes et nécessitant des vents plus importants pour démarrer, elles ont néanmoins des avantages intéressants. Plus légères que des modèles à 3 pales à puissance équivalente, elles sont également moins coûteuses. En outre, elles résistent mieux aux vents violents et peuvent même être couchées au sol pour être protégées, ce qui les rend particulièrement adaptées aux régions affectées par les cyclones ou les ouragans.

Le groupe chinois Huaneng mise, lui, sur le principe de la double éolienne. Ce concept, initié il y a une quinzaine d’années par la startup suisse Eotheme, est censé permettre l’utilisation de pales moins longues pour une puissance équivalente. Il faudra néanmoins attendre un fonctionnement prolongé de son prototype pour savoir si le rendement d’un tel dispositif est réellement intéressant.

Si elles sont beaucoup moins répandues, il existe également des éoliennes à axe vertical. On retrouve d’abord l’éolienne de type Daerrius, portant le nom de son inventeur, un ingénieur français qui en a déposé le brevet en 1927. Grâce à sa forme singulière, ce modèle d’éolienne à l’avantage d’être robuste et de fonctionner peu importe la direction du vent. L’éolienne de ce type la plus emblématique a fonctionné pendant près de 10 ans au Québec. Elle faisait près de 10 mètres de haut.

Quel avenir pour l’éolien ?

Dans les années et décennies à venir, l’éolien devrait continuer à se développer. Néanmoins, la filière fait face à de vives contestations, notamment à cause de son impact visuel sur le paysage. Souvent mis en avant, le caractère intermittent de l’énergie éolienne pourra être atténué par le développement du stockage massif d’électricité, comme les stations de pompage turbinage, mais aussi par les échanges d’électricité entre pays.

Face à cette problématique, des projets d’un nouveau genre commencent à voir le jour, intégrant des éoliennes, mais également une STEP ou de grandes batteries, permettant ainsi de réguler plus facilement la production d’électricité en fonction des besoins. La filière se tourne également de plus en plus vers l’éolien offshore. Si le coût de ces infrastructures est supérieur à cause des nombreuses contraintes techniques entraînées par une mise en place en mer, elles permettent d’obtenir une production électrique plus importante et plus prévisible, les vents marins étant plus constants que les vents terrestres.

Avec le développement des éoliennes offshores flottantes, les parcs devraient s’éloigner progressivement des côtes pour profiter de vents toujours plus forts et toujours plus prévisibles.