technologies & enjeux / Les différentes technologies
Les principales technologies éoliennes
Si la grande majorité des éoliennes installées aujourd’hui en France sont des éoliennes tripales à axe horizontal pour une puissance moyenne unitaire de 2 à 3 MW, le spectre des principales technologies de la filière est plus large.
Turbines asynchrones ou synchrones
Les turbines actuellement proposées sur le marché se répartissent en deux grandes familles suivant l’architecture de leur génératrice électrique : celles équipées d’une génératrice asynchrone (environ 75 % du marché), et celles équipées d’une génératrice synchrone (environ 25 % du marché).
Les turbines asynchrones sont utilisées dans la plupart des cas car elles peuvent supporter de légères variations de vitesse du vent, notamment lors de rafales. Ces variations de vitesse engendrent des sollicitations mécaniques importantes sur le système, qui sont plus réduites avec une machine asynchrone.
La turbine synchrone implique un entraînement mécanique direct entre le moyeu de l’éolienne et la génératrice. L’avantage de cette technologie est de proposer des machines avec moins de pièces en rotation ce qui simplifie la maintenance.
Éoliennes à axe vertical
Les éoliennes à axe horizontal sont de loin les plus répandues en Europe. D’autres configurations sont possibles : ce sont les éoliennes à axe vertical, comme c’est le cas des éoliennes de type Savonius ou Darrieus.
Type Savonius
Constitué de demi-cylindres reliés à un axe vertical, ce type d’éolienne utilise la force de traînée du vent, sur le principe des moulins à vent. Son rendement est plus faible que celui des éoliennes à axe horizontal, mais ce type de machine permet d’exploiter des vitesses de vent plus faibles. De faible encombrement et plus silencieuses que les autres éoliennes, les éoliennes de type Savonius ont été étudiées pour l’intégration en milieu urbain mais peinent à trouver leur place notamment à cause de leur coût de production électrique qui reste très élevé.
Type Darrieus
À pales verticales, paraboliques ou hélicoïdales, les éoliennes de type Darrieus utilisent la force de portance du vent, comme les éoliennes classiques. Cependant, leur encombrement plus faible est un avantage en termes d’intégration paysagère et architecturale.
Les éoliennes bipales ont leur rôle
La plupart des éoliennes sont des éoliennes tripales (3 pales orientables) à axe horizontal. Ce choix s’explique essentiellement par un compromis entre le rendement de l’éolienne, ses contraintes de fonctionnement et ses coûts de fabrication.
Plus le nombre de pales est élevé, plus le couple transmis à l’arbre du rotor est grand et plus l’éolienne peut démarrer à une vitesse de vent faible. A contrario, chaque pale provoque des turbulences pour les autres, ce qui peut limiter la vitesse de rotation de l’éolienne. Par ailleurs, un nombre de pales élevé entraîne une plus grande prise au vent qui interdit leur fonctionnement lorsque le vent est trop fort, et peut augmenter les coûts de fabrication.
Des machines à deux pales existent mais sont réservées à des tailles de puissances plus réduites ou à des utilisations en milieux spécifiques. Dans le cas d’une éolienne bipale, la différence des forces qui s’appliquent entre la pale du haut et la pale du bas crée des torsions au niveau de l’axe du rotor. Il en résulte une usure plus rapide de l’équipement.
En milieu cyclonique, des éoliennes bipales sont bien adaptées car elles sont plus légères, plus faciles à entretenir et surtout elles peuvent être rabattues au sol en cas d’alerte cyclonique.
Des machines de plus en plus puissantes
En ce qui concerne l’évolution des caractéristiques des machines, la hauteur moyenne des mâts installés en France a continuellement augmenté au cours des dernières années, passant de 50 mètres au début des années 2000 à 90 mètres en moyenne aujourd’hui. Le diamètre du rotor est également en augmentation, d’une part en raison d’une meilleure maîtrise des matériaux, d’autre part afin de pouvoir exploiter une plus grande variété de sites. Cette évolution de la hauteur du mât et du diamètre du rotor ont conduit à une augmentation de la puissance des machines et de leur production. Ainsi les éoliennes installées en France sont passées d’une puissance moyenne de 1 MW dans la première partie des années 2000 à 3 MW en 2023.
Puissance moyenne des machines installées chaque année (en MW)
Source : Observ’ER d’après EWEA
Plusieurs modèles de turbines actuellement commercialisées dépassent les 3 MW unitaires. En France les sites les plus ventés ont déjà été en grande partie mobilisés. Pour équiper les zones du territoire où les vents sont plus faibles, il est nécessaire d’installer des éoliennes plus hautes. Dans les prochaines années, la puissance moyenne (en MW) des éoliennes devraient donc augmenter, dans la mesure où le transport et la cohabitation avec les autres usages (radars de l’armée ou de météo France, zones d’entraînement militaire) permettent ces nouvelles installations.
L’éolien en mer est le domaine où le développement de la puissance des machines est le plus spectaculaire. Depuis les premières éoliennes, la puissance a été multipliée par un facteur 80 ! Une partie des futurs parcs éoliens en mer français utiliseront des machines d’une puissance unitaire de 8 MW : l’Adwen 8 MW, issue d’une technologie développée par Gamesa et Areva, pèse 550 tonnes pour une envergure de 180 mètres de rotor.
Techniquement il serait possible d’aller au-delà ! Cependant, les contraintes de transport et d’installation des éoliennes dues au poids des turbines et aux dimensions des rotors seront les principaux obstacles au développement d’équipements encore plus puissants.
LEXIQUE
Moyeu d’une éolienne : également appelé “nez”, le moyeu désigne la pièce la plus en avant de la nacelle de l’éolienne qui va supporter les pales du rotor.
Rotor d’une éolienne : aussi appelé hélice, est la partie tournante de l’éolienne. Il est composé des pales et du moyeu. Il permet la transformation de l’énergie cinétique du vent en énergie mécanique. Le diamètre du rotor détermine la puissance qui pourra être récupérée par l’éolienne.