L'étude d'implantation d'éoliennes

 Dans cette partie, nous allons expliquer en détail les différentes hypothèses et la démarche que nous avons suivis dans le but de rendre l'éco-quartier autosuffisant en électricité.


1.  Les hypothèses de travail


a.  Les hypothèses utilisées sur le vent

Nous avons considéré que la vitesse du vent déterminée par la suite est une valeur proche de la réalité. Sans faire la mesure réelle du vent à la bonne hauteur, c'est quelque chose de difficile à dire.

De plus, nous sommes partis sur le fait que le vent ne changeait jamais de direction et qu’il se situait toujours dans des gammes de vitesse suffisantes à la mise en route de l’éolienne. C'est à dire une vitesse de plus de 3m/s.

Puis, nous avons également pris en compte le relief du site (de par le positonnement de l’éolienne) mais de manière très large, car nous ne savons nullement comment le vent se comporte exactement.

De plus, le site d’implantation des éoliennes se trouve sur une colline, nous avons négligé les effets de la couche limite atmosphérique. Nous nous sommes donc imaginés que l’écoulement du vent était plus proche du laminaire que du turbulent.

Et enfin, nous nous sommes basés sur le fait que les éoliennes fonctionnaient 8760 heures par an, c’est à dire nous n'avons pas pris en compte les temps dédiés à la maintenance et/ou à l'entretien.

 

Les hypothèses sur lesquelles notre étude repose sont tres large pour pouvoir maximiser la production électrique.

 

b.  la composition de l'écoquartier et sa consomation énergétique (hors chauffage)

Cf. Étude pour le dimensionnement de panneaux photovoltaïques

La consomation énergétique annuelle de l'éco-quartier s'éleve à 156 420 kWh (120 000 des logements et 36 420 de la maison de retraite)

 

c.  Le choix du type de raccordement

 

Figure 1: Raccordement de l'éolienne dans le cas d'une revente d'une partie de l'électricité produite (Source : http://www.capvent.fr/eolienne_individuelle.php)

Figure 2: Raccordement de l'éolienne dans le cas d'un site isolé (Source : http://www.capvent.fr/eolienne_individuelle.php)

Dans notre approche d'éco-quartier, nous sommes partis sur le deuxième cas.

Notre installation ne sera donc pas raccordée au réseau.

De plus, la totalité de la production d’électricité sera consommée, nous ne produirons donc pas d’excédent de production.

 

2.  La démarche à suivre pour le dimentionnement et l'installation du petit éolien


Normalement nous aurions dû utiliser la méthode suivante pour obtenir les données du vent à l’emplacement exact de l’éco-quartier.

Nous aurions dû mesurer la vitesse du vent pendant une année avec un anémomètre à la hauteur désirée.

Les résultats obtenus nous auraient permis de déterminer la production électrique que nous aurions eue durant cette année et donc de savoir ainsi si l'instalation d'éolienne est faisable.

Cependant si les résultats se montrent probants, il faut s'assurer sur que les résultats ne sont pas le fait d'une année particulière. Pour cela, il faudrait disposer des résultats des années précédentes et également les résultats des stations météorologiques proches du site d’étude pour voir les éventuelles variations.

Avec ces nouvelles données, il nous faudrait alors faire une extrapolation de celles-ci au niveau de notre site d’étude et si les résultats obtenus restaient satisfaisants alors l’implantation d’une éolienne serait acceptable.

 

3.  Lois et formules pour le dimensionnement
 

Si nous considérons l’éolienne (en général, ces lois sont valables pour tout les type d’éoliennes existantes) comme un dispositif de récupération de l’énergie fournie par le vent d’énergie cinétique de formule Ec = ½ m V²,
alors la puissance disponible à travers la surface S (surface couverte par le rotor) s'exprime par la formule P = ½ m0 SV3
avec V la vitesse en m/s, S la surface balayée par les hélices en m² et m0 la densité de l’air (1,25 Kg/m3).

Toutefois, la puissance captée et la vitesse du vent peuvent s’exprimer en entrée et en sortie d’éolienne.

De ce fait, nous avons la formule suivante :

Pcaptée = ½ Cp m0 SVentrée3

où Cp (coefficient de puissance) dépend de Vsortie et Ventrée.

La loi de Betz montre que Cp est maximal pour une valeur de 16/27 soit environ 0,593.

Cela signifie qu’il est impossible de récupérer plus de 59% de l’énergie cinétique du vent. Cela correspond à P = 0,37 SV3.

Cependant dans tout les types d'éoliennes existante, la limite de Betz n’est pas atteinte (voir partie Généralités sur les éoliennes).

 

Dans le cas d’une hélice de diamètre D, la surface balayée par l’hélice correspond à π/4 D² soit : P = 0,29 D²V3

La puissance fournie par une éolienne est donc proportionnelle au carré du diamètre du rotor et au cube de la vitesse du vent.

 

Nous pourrions nous demander comment varie la puissance fournie par une éolienne si la vitesse du vent augmente d’1 m/s ?

P(x m/s) = P (x-1 m/s) X (1+ 1/(x-1))

Alors pour une augmentation de la vitesse de 4 à 5 m/s, par la formule précédente, la puissance est multipliée par environ 1,95.

Cela montre en quoi la mesure du vent est nécessaire pour notre étude et à quel point elle doit être précise.

De plus, connaitre la valeur moyenne du vent sur un site ne suffit pas, car en effet la vitesse du vent n’est pas constante et elle a une distribution statistique particulière.

Densité de probabilité de Weibull:


Avec: V vitesse moyenne du vent
A coefficient constant (facteur d’échelle)
k coefficient constant (facteur de forme)

Cette loi représente la loi de distribution du vent en fonction de sa vitesse.

C’est sur cette formule que nos calculs ont été basés.

Cependant dans le cas ou nous n’avons que la vitesse moyenne du vent, on peut utiliser l’équation précédente et attribuer la valeur de 2 au facteur de forme k, et la valeur moyenne de vent connu au facteur d’échelle k. On obtient ainsi une courbe de distribution de Rayleigh.

 


Figure 3: Exemple d'une courbe de distribution de Rayleigh.

 

4.  La détermination de notre installation d'éolienne pour l'éco-quartier

Nous avons décidé de baser notre étude sur une éolienne en particulier car c’est celle qui possède le meilleur rendement par rapport à notre faible valeur de vitesse du vent.

a.  les données constructeur

 


Figure 4: Eolienne WT6000 (Source: http://capvent.fr/WT6000.pdf)

 

Nous sommes partis sur l’utilisation d'un aérogénérateur type WT6000 du fabricant Proven ayant les caractéristiques suivantes:

Puissance

6 000W à 12 m/s

Vitesse de démarrage

2,5 m/s

Vitesse nominale

12 m/s

Vitesse de survie

65 m/s

Diamètre rotor 5,5m

Estimation de la production par
an pour un vent moyen de:

4,5m/s
5m/s
6m/s

 

8 050 kWh
9 950 kWh
13 500 kWh

Tableau 1: Principales caractéristiques de l'éolienne utilisée. (Source: http://capvent.fr/WT6000.pdf)


Figure 5: Courbe puissance/vitesse du vent de l'éolienne WT6000. (Source: http://capvent.fr/WT6000.pdf)
 

 

b.  Démarche et calculs pour l'autonomie électrique de l'éco-quartier

 

 i, Calcul de la vitesse du vent

 

Une étude du potentiel éolien en Auvergne a été faite par l'ADEME. De cette étude nous avons récupéré les valeurs de vitesse du vent a des hauteurs de 60, 80 et 100 m. En utilisant la formule du gradiant de vitesse nous avons pu déterminer la vitesse du vent a une hauteur de 12m, celle ou nous voulons placer nos éoliennes pour ne pas avoir de demande de permis de construire à faire. Pour ce calcul nous avons pris une valeur de α

de 0,2.

Nous avons obtenu une vitesse de 3,94 m/s pour une hauteur de 12m.
 


Figure 6: Carte de vitesse de vent pour une hauteur de 60m dans le Puy de Dôme (Source: http://www.auvergne.pref.gouv.fr/pdf/gisement_eolien.pdf)

Champeix se situant au nord-ouest d’Issoire, nous avons choisi de prendre une valeur de vitesse du vent de 5,5 m/s (à une hauteur de 60m) en tant que valeur maximale présente ici pour pouvoir maximiser nous résultat.

A partir de cette valeur moyenne de vitesse du vent, nous avons pu établir la distribution du vent de Rayleigh d'après la formule de densité de probabilité de Weibull.

 

 

Figure 7: Courbe de distribution de Rayleigh pour une valeur moyenne en vent de 3,94 m/s.

 

 

ii, La détermination de l'énergie électrique annuelle produite par une éolienne

 

A partir de la courbe de distribution du vent et celle de puissance/vitesse du vent de l'éolienne WT6000, on peux calculer la production possible. On la calcule pour chaque gamme de vitesse gràce à la puissance correspondante. Ensuite on somme les énergies moyennes pour avoir une valeur approchée de la production électrique.
 


Tableau 2: Récapitulatif des calculs pour calculer la production annuelle d'une éolienne.


Nous obtenons une production de l'ordre de 4,6 MWh par an.

Cette production correspond à la consommation d’un logement et demi environ.

Cependant, la puissance produite varie avec le cube de la vitesse du vent, donc une erreur de la mesure du vent, même infime, peut avoir de grandes répercutions.

 

iii.  la détermination du nombre d'éolienne

 

L’autonomie électrique de l’éco-quartier semble difficile si nous utilise uniquement l’énergie éolienne.

En effet, il nous faudrait utiliser 26 éoliennes identiques pour rendre autonome en électricité les 40 logements.

Pour la maison de retraite, il nous faudrait avoir à disposition 8 éoliennes.

En théorie, il serait possible de le faire, cependant dans la réalité, il nous faudrait d'une part la place nécessaire sans qu’il y ait de perturbation entre elle et d'autre part il est aussi important de se demander si un tel projet serait accepté par la population et d'un point de vue économique.

 

5.  Evaluation économique
 

Pour effectuer une évaluation économique du projet, nous nous sommes basés sur les hypothèses suivantes:

- Financement sur font propre.

- Pas d'amortissement

- Pas de fond de roulement

- Durée de vie de la machine entre 20 et 30 ans

 

Pour vérifier la validité de l'utilisation de cette éolienne, nous avons besoin de calculer le temps de retour sur investissement pour être sur que ce projet soit rentable. Notre calcul suivant se fait uniquement sur l'éolienne en temps que telle et le prix de l'installation, nous ne prenons pas en compte les frais supplémentaires tel que l'onduleur. Nous nous basons aussi dans l'hypothèse où toute la production est consommée.
Les différents coûts intervenant dans ce calcul sont l'investissement: 6500€ apres une réduction de crédit d'impots (pour des particuliers, pour des collectivités nous n'en sommes pas sur mais nous partirons dans ce cas, pour maximiser le temps de retour sur investissement).
 

Détermination du coût d'investissement, du coût de fonctionnement et du gain net annuel

  • Coût d'investissement : Eolienne PU TTC et mise en place: 6500€ (après une réduction de crédit d'impôts de 50% du prix de la machine 13100$ HT et une estimation de la mise en place de 800€)

  • Coût de fonctionnement (Dépense due à l'entretien annuel : 1,5% du prix de l’éolienne hors taxe) : 144,7€

  • Gain net annuel (Recette de la production) 4626,47 kWh : 338,2€

 


Temps de retour sur investissement (TRI) :

La détermination du TRI se détermine de la façon suivante :

 

TRI = Investissements/(Production-Entretien)
 

(Nous nous sommes basés sur le prix de rachat par EDF pour faire le calcul: 0,0731€ le kWh, normalement le prix de vente par EDF est plus vers 0,08€ le kWh et le TRI correspondant est de 28 ans. Cela ne change pas nos conclusions car même si 28 ans se trouve dans la durée de vie de l'appareil, on a maximisé la production.)

Nous obtenons alors un temps de retour sur investissement de 33,6 ans.

Le résultat du TRI obtenu est grand, supérieur à la durée de vie d'une éolienne. Ce projet n'est donc pas viable.

Cependant, pour notre étude, nous avons fait un calcul grossier sur la vitesse du vent et avons utilisé des hypothèses tres larges pour maximiser la production. Ce paramètre est le plus important. Il est donc claire qu'une valeur fine à l’emplacement de notre étude serait nécessaire, car nous pouvons dire que si nous étions dans le cas où la vitesse du vent serait de 6m/s, la production d'énergie d’une éolienne serait d’environ 13 500 kWh (Cf. courbe constructeur), 12 800 kWh d'apres nos estimations, et le temps de retour sur investissement serait alors de 8,2 ans.

Tableau 3: Lien entre la vitesse du vent et la production éolienne. (Source : http://www.energiepropre.net/eofonction.htm#top3)

 

Ce tableau confirme le fait que la vitesse du vent est trop faible pour permettre une production suffisante d’électricité. Il nous indique les résultats que l’on peut obtenir en fonction des différentes valeurs de vitesse de vent.

Comme nous l'avons déja dit plus tôt dans notre étude, le vent est vraiment le paramètre qui doit être le mieux défini pour un projet éolien, car une légère variation peut totalement remettre en question la viabilité d'un tel projet.