Contexte
Une éolienne est une machine qui convertit l’énergie cinétique du vent en énergie mécanique rotative, qui est ensuite utilisée pour effectuer un travail. Dans les modèles plus avancés, l’énergie rotative est convertie en électricité, la forme d’énergie la plus polyvalente, à l’aide d’un générateur.
Depuis des milliers d’années, les gens utilisent des moulins à vent pour pomper l’eau ou moudre le grain. Même au vingtième siècle, des éoliennes hautes, minces et à plusieurs ailes, entièrement en métal, étaient utilisées dans les maisons et les ranchs américains pour pomper l’eau dans le système de plomberie de la maison ou dans l’abreuvoir du bétail. Après la Première Guerre mondiale, des travaux ont été entrepris pour développer des éoliennes capables de produire de l’électricité. Marcellus Jacobs a inventé un prototype en 1927 qui pouvait fournir de l’énergie pour une radio et quelques lampes, mais guère plus. Lorsque la demande d’électricité a augmenté plus tard, les petites éoliennes inadéquates de Jacobs sont tombées en désuétude.
La première éolienne à grande échelle construite aux États-Unis a été conçue par Palmer Cosslett Putnam en 1934 ; il l’a achevée en 1941. La machine était énorme. La tour mesurait 36,6 yards (33,5 mètres) de haut, et ses deux pales en acier inoxydable avaient un diamètre de 58 yards (53 mètres). L’éolienne de Putnam pouvait produire 1 250 kilowatts d’électricité, soit suffisamment pour répondre aux besoins d’une petite ville. Elle a toutefois été abandonnée en 1945 en raison d’une défaillance mécanique.
Avec l’embargo pétrolier des années 1970, les États-Unis ont recommencé à envisager la possibilité de produire de l’électricité bon marché à partir d’éoliennes. En 1975, le prototype Mod-O était en service. Il s’agissait d’une turbine de 100 kilowatts avec deux pales de 21 yards (19 mètres). D’autres prototypes ont suivi (Mod-OA, Mod-1, Mod-2, etc.), chacun étant plus grand et plus puissant que le précédent. Actuellement, le ministère de l’Énergie des États-Unis vise à dépasser les 3 200 kilowatts par machine.
De nombreux modèles d’éoliennes existent, le plus frappant étant le Darrieus à axe vertical, qui a la forme d’un batteur à œufs. Le modèle le plus soutenu par les fabricants commerciaux, cependant, est une turbine à axe horizontal, avec une capacité d’environ 100 kilowatts et trois pales ne dépassant pas 33 yards (30 mètres) de longueur. Les éoliennes à trois pales tournent plus doucement et sont plus faciles à équilibrer que celles à deux pales. De plus, si les grandes éoliennes produisent plus d’énergie, les petits modèles sont moins susceptibles de subir des défaillances mécaniques majeures, et sont donc plus économiques à entretenir.
Des parcs éoliens ont vu le jour un peu partout aux États-Unis, notamment en Californie. Les parcs éoliens sont d’énormes réseaux d’éoliennes installés dans des zones de production de vent favorable. Le grand nombre d’éoliennes interconnectées est nécessaire afin de produire suffisamment d’électricité pour répondre aux besoins d’une population importante. Actuellement, 17 000 éoliennes situées dans des parcs éoliens appartenant à plusieurs sociétés d’énergie éolienne produisent 3,7 milliards de kilowattheures d’électricité par an, ce qui est suffisant pour répondre aux besoins énergétiques de 500 000 foyers.
Matières premières
Une éolienne se compose de trois parties fondamentales : la tour, la nacelle et les pales du rotor. La tour est soit une tour en treillis d’acier semblable aux tours électriques, soit une tour tubulaire en acier avec une échelle intérieure menant à la nacelle.
Puis, la nacelle en fibre de verre est installée. Ses rouages internes – arbre d’entraînement principal, boîte de vitesses et commandes de tangage et de lacet des pales – sont assemblés et montés sur un cadre de base dans une usine. La nacelle est ensuite boulonnée autour de l’équipement. Sur le site, la nacelle est soulevée sur la tour achevée et boulonnée en place.
La plupart des tours n’ont pas de haubans, qui sont des câbles utilisés pour le soutien, et la plupart sont faites d’acier qui a été recouvert d’un alliage de zinc pour la protection, bien que certaines soient peintes à la place. La tour d’une turbine typique de fabrication américaine mesure environ 80 pieds de haut et pèse environ 19 000 livres.
La nacelle est une coque solide et creuse qui contient le fonctionnement interne de l’éolienne. Habituellement faite de fibre de verre, la nacelle contient l’arbre d’entraînement principal et la boîte de vitesses. Elle contient également la commande du pas des pales, un système hydraulique qui contrôle l’angle des pales, et l’entraînement en lacet, qui contrôle la position de l’éolienne par rapport au vent. Le générateur et les commandes électroniques sont des équipements standard dont les principaux composants sont l’acier et le cuivre. Une nacelle typique d’une turbine actuelle pèse environ 22 000 livres.
L’utilisation la plus diversifiée des matériaux et la plus grande expérimentation de nouveaux matériaux se produisent avec les pales. Bien que le matériau le plus dominant utilisé pour les pales des éoliennes commerciales soit la fibre de verre avec un noyau creux, d’autres matériaux sont utilisés, notamment les bois légers et l’aluminium. Les pales en bois sont solides, mais la plupart des pales sont constituées d’un revêtement entourant un noyau creux ou rempli d’une substance légère telle que la mousse plastique, le nid d’abeille ou le bois de balsa. Une lame typique en fibre de verre mesure environ 15 mètres de long et pèse environ 2 500 livres.
Les éoliennes comprennent également une boîte de service, qui convertit l’énergie éolienne en électricité et qui est située à la base de la tour. Différents câbles relient le boîtier utilitaire à la nacelle, tandis que d’autres relient l’ensemble de l’éolienne aux éoliennes voisines et à un transformateur.
Le processus de fabrication
Avant d’envisager la construction d’éoliennes individuelles, les fabricants doivent déterminer une zone adéquate pour l’implantation des parcs éoliens. Les vents doivent être constants, et leur vitesse doit être régulièrement supérieure à 15,5 miles par heure (25 kilomètres par heure). Si les vents sont plus forts pendant certaines saisons, il est préférable qu’ils soient plus importants pendant les périodes de consommation maximale d’électricité. Dans le col d’Altamont en Californie, par exemple, où se trouve le plus grand parc éolien du monde, la vitesse du vent atteint son maximum en été, lorsque la demande est élevée. Dans certaines régions de la Nouvelle-Angleterre où des parcs éoliens sont envisagés, les vents sont les plus forts en hiver, lorsque les besoins en
Le chauffage augmente la consommation d’énergie électrique. Les parcs éoliens fonctionnent mieux dans les zones ouvertes de terrains légèrement vallonnés entourés de montagnes. Ces zones sont préférées parce que les éoliennes peuvent être placées sur des crêtes et rester non obstruées par des arbres et des bâtiments, et les montagnes concentrent le flux d’air, créant une soufflerie naturelle de vents plus forts et plus rapides. Les parcs éoliens doivent également être placés près des lignes électriques pour faciliter le transfert de l’électricité vers la centrale locale.
Préparation du site
- 1 Partout où un parc éolien doit être construit, les routes sont coupées pour faire place au transport des pièces. À chaque emplacement d’éolienne, le terrain est nivelé et la zone de la plate-forme est aplanie. Une fondation en béton est ensuite posée dans le sol, suivie de l’installation des câbles souterrains. Ces câbles relient les éoliennes entre elles en série, et les relient également toutes au centre de contrôle à distance, où le parc éolien est surveillé et où l’électricité est envoyée à la compagnie d’électricité.
Érection de la tour
- 2 Bien que les pièces en acier de la tour soient fabriquées hors site dans une usine, elles sont généralement assemblées sur place. Les pièces sont boulonnées ensemble avant l’érection, et la tour est maintenue à l’horizontale jusqu’à sa mise en place. Une grue soulève la tour en position, tous les boulons sont serrés, et la stabilité est testée à la fin du montage.
Nacelle
- 3 La nacelle en fibre de verre, comme la tour, est fabriquée hors site dans une usine. Mais contrairement à la tour, elle est également assemblée en usine. Ses rouages internes – arbre d’entraînement principal, boîte de vitesses et commandes de tangage et de lacet des pales – sont assemblés, puis montés sur un cadre de base. La nacelle est ensuite boulonnée
Le coffret électrique de chaque éolienne et le système de communication électrique du parc éolien sont installés simultanément à la mise en place de la nacelle et des pales. Les câbles vont de la nacelle à la boîte d’utilité et de la boîte d’utilité au centre de contrôle à distance.autour de l’équipement. Sur le site, la nacelle est soulevée sur la tour achevée et boulonnée en place.
Pales rotatives
- 4 Les pales en aluminium sont créées en boulonnant ensemble des feuilles d’aluminium, tandis que les pales en bois sont sculptées pour former une hélice aérodynamique dont la section transversale est similaire à celle d’une aile d’avion.
- 5 Le plus grand nombre de pales, et de loin, est cependant formé de fibre de verre. La fabrication de la fibre de verre est une opération minutieuse. Tout d’abord, on prépare un moule qui est en deux moitiés comme une coquille de palourde, mais qui a la forme d’une pale. Ensuite, un mélange composite fibre de verre-résine est appliqué sur les surfaces internes du moule, qui est ensuite fermé. Le mélange de fibre de verre doit ensuite sécher pendant plusieurs heures ; pendant ce temps, une vessie remplie d’air à l’intérieur du moule aide la lame à garder sa forme. Une fois que la fibre de verre est sèche, le moule est ouvert et la vessie est retirée. La préparation finale de la lame comprend le nettoyage, le ponçage, le scellement des deux moitiés et la peinture.
- 6 Les pales sont généralement boulonnées sur la nacelle après qu’elle ait été placée sur la tour. Comme l’assemblage est plus facile à accomplir au sol, il arrive qu’une lame à trois dents ait deux lames boulonnées sur la nacelle avant qu’elle soit soulevée, et que la troisième lame soit boulonnée après que la nacelle soit en place.
Installation des systèmes de contrôle
- 7 Le coffret électrique de chaque éolienne et le système de communication électrique du parc éolien sont installés simultanément à la mise en place de la nacelle et des pales. Les câbles vont de la nacelle à la boîte d’utilité et de la boîte d’utilité au centre de contrôle à distance.
Contrôle de la qualité
Contrairement à la plupart des processus de fabrication, la production d’éoliennes implique très peu de préoccupations en matière de contrôle de la qualité. La production en série d’éoliennes étant assez récente, aucune norme n’a été établie. Des efforts sont maintenant déployés dans ce domaine, tant de la part du gouvernement que des fabricants.
Alors que l’on compte sur les éoliennes en service pour fonctionner 90 % du temps, de nombreux défauts structurels sont encore rencontrés, notamment au niveau des pales. Des fissures apparaissent parfois peu après la fabrication. Les défaillances mécaniques dues à des erreurs d’alignement et d’assemblage sont fréquentes. Les capteurs électriques tombent souvent en panne à cause des surtensions. Les freins non hydrauliques sont généralement fiables, mais les systèmes de freinage hydrauliques posent souvent problème. Des plans sont en cours d’élaboration pour utiliser la technologie existante afin de résoudre ces difficultés.
Les éoliennes ont des programmes d’entretien réguliers afin de minimiser les pannes. Tous les trois mois, elles font l’objet d’une inspection, et tous les six mois, un contrôle d’entretien majeur est prévu. Il s’agit généralement de lubrifier les pièces mobiles et de vérifier le niveau d’huile dans la boîte de vitesses. Il est également possible pour un travailleur de tester le système électrique sur place et de noter tout problème avec le générateur ou les branchements.
Avantages et inconvénients environnementaux
Une éolienne qui produit de l’électricité à partir de vents inépuisables ne crée aucune pollution. En comparaison, le charbon, le pétrole et le gaz naturel produisent une à deux livres de dioxyde de carbone (une émission qui contribue à l’effet de serre et au réchauffement de la planète) par kilowattheure produit. Lorsque l’énergie éolienne est utilisée pour les besoins en électricité, la dépendance à l’égard des combustibles fossiles à cette fin est réduite. La production annuelle actuelle d’électricité par les éoliennes (3,7 milliards de kilowattheures) équivaut à quatre millions de barils de pétrole ou à un million de tonnes de charbon.
Les éoliennes ne sont pas totalement exemptes d’inconvénients environnementaux. Beaucoup de gens les considèrent comme inesthétiques, surtout lorsque d’énormes parcs éoliens sont construits près de zones sauvages vierges. Des cas de mortalité d’oiseaux ont été documentés, et le vrombissement des pales produit un certain bruit. Les efforts visant à réduire ces effets comprennent la sélection de sites qui ne coïncident pas avec des zones sauvages ou des routes de migration des oiseaux et la recherche de moyens de réduire le bruit.
L’avenir
L’avenir ne peut que s’améliorer pour les éoliennes. Le potentiel de l’énergie éolienne est largement inexploité. Le ministère de l’Énergie des États-Unis estime qu’il est possible de multiplier par dix la quantité d’électricité actuellement produite d’ici 1995. D’ici 2005, il sera possible de multiplier par soixante-dix la production actuelle. Si cela est réalisé, les éoliennes représenteraient 10 % de la production d’électricité des États-Unis.
Des recherches sont actuellement menées pour accroître la connaissance des ressources éoliennes. Cela implique de tester de plus en plus de zones pour la possibilité de placer des parcs éoliens là où le vent est fiable et fort. Des plans sont en vigueur pour augmenter la durée de vie de la machine de cinq ans à 20 ou 30 ans, améliorer l’efficacité des pales, fournir de meilleures commandes, développer des trains d’entraînement qui durent plus longtemps, et permettre une meilleure protection contre les surtensions et une meilleure mise à la terre. Le ministère américain de l’énergie a récemment établi un calendrier pour mettre en œuvre les dernières recherches afin de construire des éoliennes dont le rendement est supérieur à ce qui est actuellement possible. (Le rendement d’une éolienne idéale est de 59,3 %. Autrement dit, 59,3 % de l’énergie du vent peut être captée. Les turbines utilisées actuellement ont un rendement d’environ 30 %). Le ministère de l’Énergie des États-Unis a également passé un contrat avec trois sociétés pour rechercher des moyens de réduire les défaillances mécaniques. Ce projet a débuté au printemps 1992 et s’étendra jusqu’à la fin du siècle.
Les turbines éoliennes deviendront plus répandues dans les années à venir. Le plus grand fabricant d’éoliennes au monde, U.S. Windpower, prévoit de passer d’une capacité de 420 mégawatts (4 200 machines) à 800 mégawatts (8 000 machines) d’ici 1995. Ils prévoient d’avoir 2.000 mégawatts (20.000 machines) d’ici l’an 2000. D’autres fabricants d’éoliennes prévoient également d’augmenter le nombre d’unités produites. Des comités internationaux composés de plusieurs nations industrialisées se sont formés pour discuter du potentiel des turbines éoliennes. Des efforts sont également déployés pour fournir aux pays en développement de petites éoliennes semblables à celles que Marcellus Jacobs a construites dans les années 1920. Le Danemark, qui produit déjà 70 à 80 % de l’énergie éolienne en Europe, élabore des plans pour développer la fabrication de turbines éoliennes. Le début du siècle devrait voir apparaître des éoliennes bien placées, efficaces, durables et nombreuses.
– Rose Secrest