Quel est le rapport entre la taille et la puissance d’une éolienne ?
La hauteur et le diamètre des éoliennes sont très importants et vont déterminer leur capacité à produire de l’électricité. En effet, plus l’altitude augmente, plus le vent est puissant et stable. De même, un diamètre plus important, grâce à des pales plus longues, permettra de capter plus de vent, et de produire davantage d’électricité. Le dernier élément qui va déterminer la production électrique d’une éolienne est sa puissance nominale. Les dernières générations d’éoliennes ont une puissance nominale bien plus importantes, par rapport à celles d’il y a 15 ans. En fonction de ces variables, la production estimée d’une éolienne de nouvelle génération sera 3,5 fois plus élevée que celle d’une ancienne génération.
En résumé : La hauteur et le diamètre des éoliennes sont très importants et vont déterminer leur capacité à produire de l’électricité. En effet, plus l’altitude augmente, plus le vent est puissant et stable. De même, un diamètre plus important, grâce à des pales plus longues, permettra de capter plus de vent, et de produire davantage d’électricité. Le dernier élément qui va déterminer la production électrique d’une éolienne est sa puissance nominale. Les dernières générations d’éoliennes ont une puissance nominale bien plus importantes, par rapport à celles d’il y a 15 ans. En fonction de ces variables, la production estimée d’une éolienne de nouvelle génération sera 3,5 fois plus élevée que celle d’une ancienne génération.
L’énergie produite par une éolienne dépend de la ressource de vent et donc du site d’implantation. Pour un site équivalent, ce sont surtout les dimensions de l’éolienne qui importent, puis sa technologie. (Voir courbe de puissance d’une éolienne ci-dessous). Les éoliennes récentes ont des dimensions plus importantes que les anciennes générations ce qui permet une production accrue. Les 3 caractéristiques principales sont le diamètre du rotor, la hauteur d’axe et la puissance nominale. (Voir description d’une éolienne ci-dessous).
Diamètre du rotor
La longueur de la pale détermine le rayon du rotor, le diamètre est donc le double de la longueur de la pale. La superficie balayée par le rotor varie selon la longueur du rayon au carré selon la formule : Surface cercle = πr^2.
Une éolienne de 50 mètres de diamètre (pales de 25 mètres) balaye une superficie de 1 963 m². Alors qu’avec un diamètre doublé, 100 mètres, la superficie balayée est 4 fois plus importante. Avec un diamètre triplé, 150 mètres, la superficie est 9 fois plus importante. Le diamètre du rotor est donc primordial car la surface balayée par le rotor est proportionnelle à l’énergie récupérable.
Hauteur d’axe
La hauteur d’axe (hauteur du mât) est déterminante, car la vitesse du vent augmente avec l’altitude. L’énergie cinétique (Ec) du vent varie en fonction de sa vitesse au cube selon la formule : Ec=1/2*ρ*S*V^3 . Avec la masse volumique de l’air (en kg/m3), S la surface balayée en m² et V3 la vitesse du vent au cube. Le résultat en Watt est l’énergie du vent qui ne peut être entièrement récupérée car cela reviendrait à « stopper » complétement le vent. L’énergie théoriquement récupérable ne peut franchir la « limite de Betz » soit 16/27 de l’énergie qui traverse la surface couverte par le rotor.
La formule mathématique ci-dessus implique qu’une dizaine de mètre de hauteur de mât en plus peut faire une différence conséquente : un petit peu de vent en plus, c’est beaucoup plus d’énergie produite.
Avec une vitesse de vent 2 fois plus rapide la production est 8 fois plus importante.
La courbe de cisaillement ci-dessous représente le profil de la vitesse du vent selon la hauteur. Cette courbe suit une fonction logarithmique. Cela signifie que plus on monte en altitude, plus le vent souffle fort.
Selon cette courbe de cisaillement, on peut comparer plusieurs hauteurs et l’évolution de la vitesse du vent pour en déduire son énergie. A 90 mètres de haut, le vent contient 8 % plus d’énergie qu’à 80 mètres. A 120 mètres le vent contient 30 % d’énergie en plus qu’à 80 mètres.
Le vent est également plus laminaire et plus stable en hauteur, ce qui sollicite moins le mécanisme des éoliennes et rallonge leur durée de vie.
Puissance nominale
La puissance nominale de l’éolienne est la puissance électrique maximum que la génératrice peut produire. Cette puissance est atteinte quand le vent atteint la vitesse nominale de l’éolienne. (Voir courbe de puissance d’une éolienne).
La puissance nominale, couramment exprimée en mégawatt (MW), est souvent appelée puissance par simplification (pour rappel : 1 MW = 1 000 kW = 1 000 000 Watts). Elle doit être adaptée au potentiel de vent du site, au diamètre du rotor et à la hauteur d’axe. Certains modèles d’éoliennes disposent d’une gamme avec plusieurs puissances nominales disponibles, indépendamment des dimensions.
Comparaison de plusieurs modèles
Ci-dessous, un exemple permet de comparer 5 éoliennes de la gamme Nordex. Sur les modèles présentés, la N90 est la plus ancienne génération, mise en service à partir de 2005. La N117 et la N131 sont d’une génération actuelle avec des mises en service depuis 2013 / 2014. La N149 est une éolienne plus moderne avec des premières installations en 2022 et la N163 pourrait arriver en 2025.
En croisant l’augmentation de la superficie balayée, de la puissance et de la hauteur, on constate que la production estimée d’une éolienne de nouvelle génération est 3,5 fois plus élevée que celle d’une ancienne génération. En 15 ans, les évolutions technologiques et les dimensions des éoliennes permettent de produire 3 à 4 fois plus d’électricité par machine installée.
Le schéma suivant permet de représenter la différence de dimensions de ces 4 modèles.
« Si l’hydraulique constitue aujourd’hui la principale source d’énergie renouvelable pour l’électricité en France (environ 12 % de la production totale d’électricité), elle présente peu de possibilités d’accroissement de production. L’énergie éolienne offre, pour le système électrique français, un potentiel technique important et encore largement sous-exploité. » Source : Ademe – Les avis de l’Ademe l’énergie éolienne – 04/2016