Mercredi 8 décembre 2010 3 08 /12 /Déc /2010 22:59

Lorsque le vent souffle fort, les particules d'air viennent cogner les reliefs, les arbres et les gens, allant parfois jusqu'à mettre certaines choses en mouvement. Les cyclones et les tornades confèrent tellement d'énergie cinétique aux gens et aux choses là où elles passent qu'ils en deviennent des courants d'air destructeurs pour les maisons, les arbres...
Mais comme on est malins, on essaye de domestiquer cette source d'énergie pour qu'elle soit plus... constructive. On est très loin de faire des centrales à cyclones qui les rendraient inoffensifs tout en récoltant une partie de leur immense énergie, mais on s'intéresse un peu plus, ces dernières décennies, à l'énergie du vent du fait qu'elle soit renouvelable et propre.
De nombreuses idées, certaines brillantes, ont été avancées, et il est difficile de savoir lesquelles aboutiront. Dans cet article, je me limiterai à décrire, en partie, le fonctionnement d'une éolienne classique verticale à axe horizontal et à trois pales. J'aborderai aussi certains sujets connexes pour étoffer l'article.

I Du vent qui se lève à l'électricité qui court
II Avantages et inconvénients des éoliennes
III Digression sur les moulins hollandais et les polders

I Du vent qui se lève à l'électricité qui court

Dans l'atmosphère terrestre, l'air n'est pas toujours à la même pression selon le lieu et l'endroit. Mais d'ailleurs, qu'est-ce que la pression ? C'est la force qu'exerce un système matériel par unité de surface. Un bon moyen pour s'en rappeler est de remarquer que plus la lame d'un couteau est fine, plus il coupe bien : à force égale, la pression est plus forte avec une lame affutée qu'avec une lame émoussée de grande surface de contact. En imaginant un couteau dont le fil de la lame n'aurait qu'un atome d'épaisseur, on pourrait envisager (je dis bien, "envisager") que la pression exercée par le couteau soit en tout cas infinie étant donné qu'un atome est ponctuel et que la surface d'une droite est nulle. C'est probablement cette idée qu'avait Philip Pullman en tête lorsqu'il a décrit le couteau fabriqué par les habitants de Cittàgazze, dans A la croisée des mondes. A vrai dire, je ne pense pas qu'un atome soit réellement ponctuel, on ne pourrait donc pas construire un tel couteau exerçant une pression infinie, mais sur le papier, il serait quand même très coupant.

atomes poignard subtil
Une représentation de la lame d'un tel couteau. Les atomes du fil ont été mis en rouge pour évoquer sa dangerosité.

Une petite formule :

formule naze pression

F désigne la force, P désigne la pression, et S désigne la surface.

Cette formule est fausse : pour calculer une pression, il faut avoir recours à un outil que l'on appelle l'intégrale, et utiliser non pas des forces F et des surfaces S, mais leurs différentielles, notées dF et dS.

Si je vous l'ai donnée, c'est pour vous donner un ordre d'idée : plus les forces exercées sont importantes, plus la pression est importante, et plus les surfaces sont réduites, plus la pression est forte.
Pour ceux qui auraient eu l'idée au combien saugrenue de marcher sur le sable d'une plage en chaussures à talons, je crois qu'ils commencent déjà à se faire une notion de l'impact de la surface sur le truc.

Pour revenir au sujet, il se trouve que ce sont les différences de pression dans l'atmosphère qui donnent naissance au vent. Un air à haute pression verra ses molécules très rapprochées les unes des autres, alors qu'un air à basse pression verra ses molécules plus écartées. Prenons un cas particulier pour expliquer tout ça.

Sur la côte, le jour, un régime s'installe où le sol est plus chaud que l'eau. C'est en tout cas ce que suggère Wikipedia dans son article sur le vent. On va leur faire confiance. Le sol étant plus chaud que l'eau, l'air au contact du sol va être plus chaud que l'air au dessus de l'eau.
Les molécules d'air chaud ont une grande énergie cinétique : ceci leur permet de passer près les unes d'entre elles sans trop dévier leur trajectoire.

molecules air chaud
Les molécules d'air chaud sont très rapides, leur énergie cinétique est élevée, ce qui leur permet de passer facilement les barrières de répulsion qui apparaissent lorsque deux molécules s'approchent très près les unes d'entre elles. Ici, un schéma de collision entre deux particules imaginaires illustre ce comportement.

molecules air froid
Les molécules d'air froid sont plus lentes, elles sont plus sensibles à la répulsion qu'elles s'exercent mutuellement en contact rapproché. Cela les confine dans une zone plus restreinte que les molécules d'air froid.

Ce qui arrive, c'est que l'air chaud monte, et emporte avec lui l'air froid à côté. Se met en place une sorte de boucle, avec un vent au sol qui vient de la mer.

brisedemer brisedeterre  


On appelle ceci une brise de mer. Evidemment, ce phénomène ne prend forme de manière aussi simple que dans une météo stable, sans vent extérieur de type cyclone ou tempête.

La nuit, c'est le phénomène inverse qui se produit : on appelle ça la brise de terre.

 

Sur l'image précédente, le schéma du haut représente une brise de mer, et celui du bas, une brise de terre. "de mer", car le vent vient de la mer, et "de terre",  car le vent vient de la terre.


Et la différence de pression, dans cette histoire ? Et bien, l'air chaud au dessus du sol, lorsqu'il fait jour, se trouve être à une plus faible pression que celui, plus froid, plus condensé, au dessus de la mer. De là à dire que c'est la différence de pression qui engendre le vent, il reste des choses à préciser si l'on veut utiliser un vocabulaire rigoureux.

S'il y a une formule à savoir avec les éoliennes, c'est bien celle ci :

puissance eolienne  

Mais qu'est-ce que c'est que tout ce charabia, vous allez peut-être me dire.

Pas de panique, je vous offre la traduction !

eolienne ciel bleu 

Imaginons une éolienne face au vent, mais vraiment pile en face.
La partie tournante a une certaine surface de contact avec le vent : sur l'image au dessus, cette surface est beaucoup plus petite que celle d'un disque. D'ailleurs on peut toujours imaginer une éolienne avec une section tournante de la surface d'un disque.
La surface de contact, on aurait pu l'appeler "surface de contact avec le vent de la partie tournante de l'éolienne", mais comme on est un peu fainéants et qu'on préfère en dire beaucoup mais en peu de temps, et ben on a décidé d'appeler ça autrement, et on y a appelé "S".
"S", comme surface.
Dans la formule présentée, aucun risque de confusion.
S'il y avait d'autres surfaces, ou encore des paramètres de salinité, de surdité, ou de saleté, il aurait peut-être fallu se creuser un peu plus la tête pour nommer cette dite surface au mieux.
M'enfin, on n'en est pas à là.

Le petit "v", ça désigne la vitesse du vent.
D'ailleurs en physique, la plupart du temps, c'est avec un "v" minuscule qu'on désigne une vitesse, le "v" majuscule, on le réserve plutôt aux volumes.
Donc pas vraiment de "vitesse grand "v"".

La lettre qui ressemble à un "p" d'imprimerie minuscule mais sans l'empattement au dessus, c'est une lettre de l'alphabet grec, que l'on appelle "rhô", ici, le "rhô" minuscule. Elle désigne la masse volumique de l'air, c'est-à-dire la masse d'air qu'il y a dans un volume fixé par une convention, par exemple 1 mètre cube, si on prend la convention du système international d'unités.
Plus l'air est dense, plus "rhô" est élevé. Plus on monte en altitude, moins l'air est dense. A partir d'une certaine altitude, toutes les particules de diazote, de dioxygène, ou autres composantes de l'air terrestre, s'échappent de l'attraction terrestre, et peuvent tout à fait ne jamais revoir l'atmosphère, attachée à la Terre.

Le "p" minuscule, c'est la puissance de l'éolienne, c'est-à dire la quantité d'énergie qu'elle fournit par unité de temps. On peut la mesurer en Joules/seconde, c'est-à-dire en Watts, puisque par définition, 1 Watt=1 Joule/1 seconde. Je préfère noter la puissance avec un "p" minuscule, et noter la pression avec un "p" majuscule, comme ça au moins, on est sûr de pouvoir faire la différence entre les deux.

Quant au "c" majuscule avec un petit "p" dans le coin en bas à droite, il désigne le coefficient de performance, compris entre 0 et 1. C'est ce qu'on appelle un paramètre correctif : le calcul de base donne une formule où Cp égale 1, alors qu'on sait très bien qu'en pratique, c'est pas réaliste du tout, qu'il y aura toujours des pertes d'énergie par rapport à ce modèle idéal, du coup, pour modéliser les pertes, parce que c'est quand même bien pratique, on utilise ce coefficient de performance, dont le calcul de la valeur est à voir suivant chaque situation.

Ce qu'il faut retenir de cette formule, c'est que le facteur le plus important dans la puissance d'une éolienne, c'est la vitesse du vent, parce que cette puissance est proportionnelle au cube de la vitesse du vent.

Si le vent va 2 fois plus vite, la puissance de l'éolienne sera 2^3 fois plus grande, c'est-à-dire 2x2x2 fois plus grande, c'est-à-dire 8 fois plus grande.
Multipliez la vitesse du vent par 3, et vous aurez une éolienne 27 fois plus productive.

En comparaison, si la densité de l'air soufflé est 2 fois plus grande, la puissance de l'éolienne est 2 fois plus grande. Vachement moins déterminant, au final.

Quant à la surface, on peut supposer que des contraintes aérodynamiques nous empêchent à l'ordinaire de faire des éoliennes dont la surface totale des pales en contact avec le vent équivalerait à celle d'un disque. Cela dit, c'est pas parce qu'un truc est une habitude qu'il est justifié ^_^

A la fin, on se retrouve avec une énergie cinétique de type courant électrique. Il y a bien des pertes par échauffement et par son, car je le précise aussi au cas où, il existe aussi des énergies thermique et sonore.
Dans la nacelle en haut de l'éolienne verticale à axe horizontal, il y a une boîte de vitesse, et un générateur, qui transforme de l'énergie mécanique (ici, liée à la rotation d'un axe) en énergie électrique. Il semblerait que ce type de générateur soit le même type de pièce que celui des alternateurs dont j'ai parlé dans l'article Les sources d'énergie électrique : la fission nucléaire . Je ne trouve pas de documentation assez bonne sur Internet, je compte bien aller voir la bête de plus près pour voir comment ça marche. En voici un portrait :

wind turbine nacelle   


J'espère que vous avez compris que quand je disais "bête" et "portrait", ce n'était que purement métaphorique... D'ailleurs il faudrait que je fasse une bonne critique de la poésie sur ce blog.

Lorsque j'aurai de plus amples informations, je mettrai cet article à jour.

II Avantages et inconvénients des éoliennes

Avantages :

-Elles ne rejettent aucun sous-produit polluant.
-Tant qu'il y aura du vent, elles pourront fonctionner. On n'a donc pas trop à se soucier de la durée de vie d'un tel type d'installation.

Inconvénients :

-Elles produisent très peu d'énergie électrique. Le Danemark n'a plus assez de place sur son territoire pour mettre des éoliennes tellement il y en a, et selon Wikipedia, en comptant les éoliennes terrestres plus les éoliennes maritimes, on atteignait seulement 23 % de la production des besoins du pays, en 2006.
-Une éolienne ne produit de l'électricité que lorsqu'il y a du vent pour la faire tourner. S'il n'y a pas de vent, et qu'on a besoin d'électricité, soit il faut utiliser une autre source d'énergie électrique, soit... on est un peu dans la merde. S'il y avait des techniques de stockage d'énergie bien au point et bien développées qui permettraient d'en stocker beaucoup sur de longues durer, on pourrait s'arranger pour avoir une production excédentaire aux besoins du moment et stocker le surplus dans l'objectif de l'utiliser plus tard, et théoriquement, ne produire de l'électricité qu'avec des éoliennes. Mais pour le moment, ces techniques, on ne les a pas.
-Il y aurait (je dis bien "Il y aurait") des problèmes de nuisance sonore et d'obstacle mortel aux oiseaux. Toutefois, les propos relatant ces problèmes sont écrits de telle sorte à ce qu'il me semble que ce ne sont là que des problèmes mineurs. La seule façon de savoir, c'est d'aller voir là où il y a des éoliennes, et d'observer suffisamment ce qui s'y passe pour être sûr.

III Digression sur les moulins hollandais et les polders

Dans le livre "Effondrement" de Jared DIAMOND, on apprend que les Néerlandais ont l'une des consciences environnementales les plus élevées du monde. Dans le livre, il y a une longue explication à ce fait, pas faite par l'auteur, mais par quelqu'un qui a lui expliqué, aux Pays-Bas, comment on en était arrivé là.

Je vous la donne ici telle qu'elle est écrite dans la version française du livre :

"Regarde autour de toi. Tous les champs que tu vois se trouvent sous le niveau de la mer. Un sixième de la superficie totale des Pays-Bas est sous le niveau de la mer, parfois de plus de vingt mètres, parce que c'étaient jadis des bas-fonds. Nous avons gagné sur la mer en entourant ces bas-fonds de digues et en pompant petit à petit l'eau. On dit que Dieu a créé la Terre, mais que nous, Hollandais, avons créé les Pays-Bas. Ces terres gagnées sur la mer s'appellent des "polders". Nous avons commencé à les drainer il y a près de mille ans. Aujourd'hui, nous devons continuer à pomper l'eau qui suinte dedans. Voilà à quoi servaient nos moulins à vent : à faire marcher les pompes qui pompent les polders. Aujourd'hui, nous utilisons des pompes à vapeur, au diesel ou à l'électricité. Dans chaque polder, il y a des rangées de pompes : on commence par celles qui sont les plus éloignées de la mer et on pompe l'eau jusqu'à ce que la dernière finalement la déverse dans une rivière ou dans l'océan. Aux Pays-Bas, on dit aussi qu'il faut savoir s'entendre avec son ennemi, parce que cela pourrait être lui qui actionne la pompe située juste à côté de la sienne. Et nous sommes tous ensemble dans les polders. Les riches ne vivent pas en sécurité en haut des digues tandis que les pauvres se trouvent au fond, sous le niveau de la mer. Si les digues et les pompes ne marchent pas, nous serons tous noyés. Quand une grande tempête a éclaté et que de grandes vagues ont pénétré à l'intérieur de la Zélande le 1er février 1953, près de deux mille Hollandais, riches et pauvres, ont péri noyés. Nous avons juré que cela n'arriverait plus jamais et tout le pays a payé pour qu'on construise un ensemble extrêmement coûteux de digues. Si le réchauffement global fait fondre la glace des pôles et que le niveau mondial des mers s'élève, les conséquences seront plus graves pour les Pays-Bas que pour n'importe quel pays au monde, parce que beaucoup de nos terres se trouvent déjà sous le niveau de la mer. Voilà pourquoi les Hollandais ont une telle conscience de l'environnement. Notre histoire nous a appris que nous vivons tous dans le même polder et que notre survie dépend de celle des autres."

Le monde est un polder : je rejoins pleinement Jared DIAMOND dans cette affirmation métaphorique. Et vu qu'il défend une ligne vachement anthropocentrée dans son livre, je le pense peut-être même plus que lui ^_^!!

Par Bête spatio-temporelle - Publié dans : Les sources d'énergie électrique (vulgarisation)
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