Eolienne | Dr. Goulu

Encore plus vite que le vent

Sun, 16 Dec 2012 00:00:00 +0000

Vous savez peut-être que j’ai créé il y a un peu plus de 5 ans un , désormais principalement animé par d’autres passionnés. Depuis 2007, le a été franchi par des engins très différents, allant du kitesurf à . Mais le 24 novembre 2012, le record de vitesse pure a été pulvérisé par , qui a de moyenne sur 500m

Vestas Sailrocket 2 à 65 noeuds en Namibie. Cliquez pour la video !

Dans un spectaculaires, j’ai relevé que pour atteindre de telles vitesses il faut des conditions idéales : vent de 30 nœuds (voire plus pour les kite) arrivant sous le bon angle au ras d’une plage pour que les vagues ne soient pas formées. Le record absolu de vitesse a-t-il toujours un sens s’il faut attendre des semaines que ces conditions se présentent en l’un des quelques spots idéaux de la planète ? Ne devrait-on pas plutôt mettre sur pied des records relatifs à la vitesse du vent, en considérant que Sailrocket a atteint 2.4x la vitesse du vent, un kitesurf atteignant 1.8 et “BMW Oracle”, le géant de la dernière Coupe de l’America un facteur 4.5 ?

Car oui, on peut aller . Mais pas à toutes les : les bateaux munis de voiles traditionnelles ou d’ailes fixes ne peuvent remonter face au vent. Et au “vent arrière”, il sont condamnés à une vitesse inférieure à celle du vent car lorsque la vitesse du bateau augmente, le diminue jusqu’au point où la puissance extraite par les voiles compense la , et le bateau ne peut plus accélérer. *

Mais des voiles “non traditionnelles” permettent-elles de dépasser ces limites ?

La réponse est oui. Sur l’eau il existe déjà des , de s et même un propulsés par des éoliennes orientables couplées à des hélices marines, ce qui leur permet de remonter directement face au vent. Mais en l’absence d’organisme validant des records de , les navigateurs ont peu de considération pour ces travaux

Sur terre, la (Association Nord Américaine de Chars à Voile) homologue des records face au vent en vitesse absolue (C3) et relative (C4) . Ces deux records étaient tous deux détenus par le véhicule “DTU” de l’Université Technique du Danemark participant à l’édition 2011 de la . Il avait atteint 24.6 km/h et 75% de la vitesse du vent pendant les 10 meilleures secondes de son parcours sur une route de 5.3 km orientée face au vent. La course a été remportée cette année par , un engin de l’Ecole Technique Supérieure du Québec qui a .

Chinook, lauréat de l’Aeolus 2012 avec 58.5% de la vitesse du vent (cliquer pour plus d’infos)

Chinook a peut-être même ponctuellement fait mieux que les 75% de DTU, mais ça n’a plus d’importance depuis le 16 juin 2012. Car ce jour là, le “ ” de Rick Cavallaro a pulvérisé le record de vitesse absolue face au vent (C3) avec 36.6 km/h et surtout le record relatif (C4) avec 2.1 fois la vitesse du vent réel ! ,

Blackbird face au vent. Remarquez le pas variable de l’éolienne (et cliquez pour plus d’infos)

Ce record spectaculaire est cependant moins surprenant que celui qu’avait déjà réalisé Blackbird le 3 juillet 2010. Ce jour là Rick Cavallaro est devenu le premier homme “DDWFTTW” : Direct DownWind Faster Than The Wind. Il a même atteint 44.6 km/h dans 16 km/h de vent, soit presque 2.8 fois la vitesse du vent , au vent arrière !

Comme le dit Rick Cavallaro dans un article passionnant qui retrace toute l’aventure , 99% des gens pensent a priori que c’est impossible (c’était mon cas) et 99% des autres n’arrivent pas à comprendre comment ça peut marcher (c’est mon cas actuellement, mais je me soigne).

En 2008, où l’on voit un modèle réduit dépasser la vitesse du vent (à partir de 1:22) a été qualifiée de canular et suscité des commentaires très critiques voire haineux sur plusieurs forums. Même des blogs de science respectables assimilaient DDWFTTW à “mouvement perpétuel” .

Il faut dire que la première idée qui vient à l’esprit est fausse : ce n’est pas l’éolienne qui fait tourner les roues, ce qui poserait un problème lorsque le vent apparent s’annule. Ce n’est pas non plus l’inertie du rotor qui permet de passer cette vitesse critique, et il ne faut pas inverser le pas de l’hélice pour qu’elle mouline l’air venant de l’avant après avoir mouliné l’air venant de l’arrière. D’ailleurs regardez la vidéo une fois encore : l’hélice tourne dans la direction “propulsive” dès le départ, et rien de spécial ne se produit lorsque l’engin atteint la vitesse du vent

La solution est beaucoup plus simple, mais aussi beaucoup plus perturbante que ça : ce sont les roues qui actionnent l’hélice, qui fonctionne comme un propulseur ! Ca pue le mouvement perpétuel, mais ça n’en est pas un parce que le vent réel est toujours présent, le problème étant de pouvoir utiliser son énergie.

Dans leur article “ ” paru dans “Pour La Science” cet été, et Édouard Kierlik utilisent l’analogie du yoyo : quand un yoyo est posé au sol et qu’on tire doucement sur la ficelle, il se rapproche en enroulant la ficelle autour de son axe, donc plus vite que le déplacement de la ficelle. Ce comportement ne se produit cependant que si entre le rapport de transmission (le rapport entre le périmètre de l’axe et le périmètre du yoyo) entre le coefficient de frottement du yoyo au sol sont satisfaites.

Sur “Blackbird”, c’est le vent réel arrière qui joue le rôle de la ficelle et l’hélice celui de l’axe. Avec un rapport de transmission entre le périmètre des roues et le pas de l’hélice bien choisi et des coefficients de frottement avec la route et avec l’air suffisants, le véhicule exploite avec une sorte de bras de levier la différence de vitesse relative entre les deux milieux, différence qui reste d’amplitude et de direction constante lorsque le véhicule accélère.

La possibilité théorique d’un tel véhicule avait déjà été établie en 1969 . Il a fallu 40 ans de travail de passionnés pour arriver à dépasser la vitesse du vent sous toutes les allures, mais pour l’instant à terre, et avec des véhicules différents ou nécessitant une adaptation. Qui arrivera à rouler sur un cercle complet plus vite que le vent réel ? Et qui arrivera à le faire sur l’eau ?

Note * ajoutée le 2.3.15 : En , les voiliers modernes comme Oracle peuvent atteindre une supérieure à celle du vent tant en le remontant qu’en le descendant.

Références

" ", 2012
Rick Cavallaro ” 25 June 2012
Bob Dill and Kimball Livingston “ ”, NALSA, Novembre 2012
(slides sur la conception d’un véhicule de la compétiton)
Rick Cavallaro “ ", 12 July 2010
Bob Dill and Kimball Livingston “ ”, NALSA 2010
Rick Cavallaro, “ ”, Wired, 27 August 2010
Rhett Allain ” , Scienceblogs, décembre 2008
Jean-Michel Courty et Édouard Kierlik “ ", Pour la Science N°417 - juillet 2012
Andrew B. Bauer “ ”, 1969

Qui veut de l'électricité à prix négatif ?

Sat, 15 Jan 2011 00:00:00 +0000

Ca devrait tourner tout seul, pourtant …

La machine à permettant de produire de l’énergie à un prix nul est un vieux rêve de l’humanité. Mais aujourd’hui on sait faire mieux : il arrive de plus en plus souvent que l’électricité ait un prix négatif pendant quelques heures ! On vous paie pour consommer de l’électricité ! Qui en veut ?

J’ai entendu parler de cette aberration il y a quelques temps, voici ce que j’ai trouvé sur le sujet : c’est grâce aux éoliennes allemandes. , ,

Il y en a beaucoup, et elles tournent toutes en même temps pendant certaines tempêtes nocturnes, produisant des pointes dont on ne sait que faire à ce moment là. On le voit sur le graphique ci-dessous : l’Allemagne dispose de plus de 20'000 éoliennes représentant 24 GW de puissance installée, mais malgré leur elles produisent de manière très irrégulière, par pics au gré des vents.

La consommation, est très variable aussi, mais assez prévisible. Elle suit 3 cycles : un grand cycle saisonnier (au nord, on consomme plus pendant l’hiver), un cycle hebdomadaire du à la consommation de l’industrie et services (responsable également de “trous” bien visibles à Noël et à Pâques), et un cycle quotidien.

Le 2 octobre 2009 était un vendredi normal en Allemagne : consommation de 12 GW tôt le matin, les centrales à charbon et lignite suffisent, le prix du MWh est autour de 25€. Les gens vont au boulot, mangent etc : vers midi la consommation à augmenté à 18 GWh, il a fallu mettre en marche des centrales à gaz et faire turbiner les quelques barrages. Ces installations sont plus chères, aussi parce qu’elles apportent la flexibilité au réseau, donc leurs exploitants ne les mettent en marche que lorsque le prix du MWh passe au dessus d’un prix qui leur permet de ne pas perdre d’argent, soit environ 70€. Vers 17h il y a une petite baisse de consommation, mais comme tout le monde sait que le soir elle va ré-augmenter, on n’arrête pas les installations malgré une baisse du prix à 40€. Et effectivement le soir quand Herr Schmidt allume sa télé et sa lumière, la consommation augmente encore un peu avec le prix, jusqu’à ce qu’il aille se coucher.

marché EPEX de l’électricité 2 octobre 2009 (cliquer pour jouer)

Le lendemain, samedi 3 octobre 2009, Herr Schmidt ne va pas travailler, il ne se lève que pour manger, ce qui crée un pic de consommation et de prix moins élevé que la veille, mais le soir il y a le foot à la télé, donc la consommation maximale à lieu vers 21h à 19 GWh. Ensuite les exploitants arrêtent les centrales à gaz, ferment les vannes des barrages, baissent un peu la puissance des centrales thermiques car demain c’est dimanche et là ça sera vraiment calme… Mais que se passe-t-il ??? La production diminue trop peu … et en deux heures les prix s’effondrent. Un peu avant minuit, les producteurs ne savent plus quoi faire de leurs megawatts et les donnent…

marché EPEX de l’électricité 3 octobre 2009 (cliquer pour jouer)

Peu de producteurs d’électricité allemands doivent avoir oublié le dimanche 4 octobre 2009. Une jolie tempête atteint toute l’Allemagne avec des vents juste à la bonne vitesse pour faire tourner les éoliennes au max de leur rendement. Mais à 3h du matin, personne ne sait que faire de leur jus. Donc il vont jusqu’à payer 500€ par MWh pour qu’on les débarrasse de ce truc qui fait monter la tension sur le réseau et va faire tout péter ! 500 €, c’est dix fois le prix “normal” de l’électricité, mais en négatif !!!

marché EPEX de l’électricité 4 octobre 2009 (cliquer pour jouer)

Tout ceci démontre un aspect très important de l’électricité mais trop souvent ignoré:

Votre prise électrique ne fournit pas de l’énergie mais de la puissance.

Ce que je veux dire, c’est que lorsque vous allumez la lumière, vous la voulez tout de suite. Et ça implique que quelque part une installation de production va devoir “faire quelque chose” pour fournir cette puissance (en Watts) au moment même où vous la consommez. Ensuite si vous laissez votre ampoule allumée et consommez de l’énergie (rappel : l’énergie est une ), la production continue au même niveau.

Les variations de prix de l’électricité n’ont pas grand chose à voir avec l’énergie, mais tout avec la puissance. Si la consommation augmente, il faut mettre en marche des installations qui étaient à l’arrêt, et si elle diminue il faut arrêter des turbines, et ces changements prennent du temps, demandent du travail et ont un prix fondamentalement plus élevé que de laisser tourner une centrale (nucléaire…) toute l’année à une puissance quasi-constante.

C’est ce qui a piégé les producteurs d’électricité dans la nuit du 3 au 4 octobre 2009, et encore plusieurs fois depuis mais dans une proportion moindre : ça leur coûtait moins cher de payer pour se débarasser de leur surproduction que d’arrêter des turbines pendant le coup de vent. Une preuve de plus que le problème des éoliennes, c’est qu’elles produisant quand elles veulent, pas quand on a besoin d’elles.

Mais alors, pourquoi les producteurs n’ont-ils pas arrêté les éoliennes ? Peut-être parce qu’ ils touchent des de l’ordre de 100€ par MWh (j’ignore le chiffre exact, si vous l’avez…) Ô surprise, la moyenne du prix négatif payé pendant les 6 heures de cata était de 100€ par MWh… Donc ils n’ont rien perdu, et ont fait payer au consommateur qui les subventionne le coût de l’exportation de leur surproduction vers les , qui la leur ont revendu quelques heures plus tard avec une marge énorme.

Je viens de changer d’avis : je suis pour les éoliennes dans l’UE, et pour que la Suisse ne s’occupe que du stockage d’énergie…

Références

" ", lesoir.be, 18 août 2010
" " sur EcoCO2, 2 septembre 2010
Jeremy van Loo “ ”, Bloomberg, 23 avril 2010
" " sur le site EPEX SPOT (ajouté le 2.9.2015)

Un vent de haute technologie

Wed, 27 Jan 2010 00:00:00 +0000

Quand on s’intéresse à plein de choses, il arrive parfois qu’apparaisse soudain une nouvelle qui relie miraculeusement des sujets très différents. C’est ce qui est m’est arrivé en lisant .

$250

Malgré de regrettables rebondissements judiciaires sans fin, la qui va se disputer prochainement à Valencia reste la “formule 1” de la voile, où des budgets énormes permettent le développement de technologies de pointe. A ce titre, l’appareil que BMW Oracle prévoit embarquer* est proprement stupéfiant : le “ ” de la startup Catch The Wind Inc. permet de mesurer la vitesse et la direction du vent jusqu’à 1000 m de distance ! La précision annoncée (2° en direction et 0.5 nœuds en vitesse) donnerait un net avantage stratégique à Oracle. On peut donc s’attendre à ce qu’Alinghi tente par tout les moyens (légaux*…) d’empêcher son utilisation en course.

Reste que la technologie existe, et vise aussi d’autres applications. Catch The Wind Inc. propose le “ ” pour le marché des : en mesurant la vitesse du vent 300m avant l’hélice, il permet d’anticiper ses variations, et d’agir sur l’incidence des pales pour extraire plus d’énergie des rafales ou éviter un ralentissement de l’hélice dans une dévente et ainsi rapprocher le rendement de la .

Ces appareils sont basés sur la “ ”, une technologie combinant et effet Doppler. La mesure de vitesse se fait avec un interféromètre semblable à ceux utilisés pour la par la méthode des vitesses radiales.

Ce genre d’engins tenait dans une camionnette il y a 20 ans, maintenant ils sont “portables”, peut-être remplaceront-ils bientôt tous ces petits anémomètres qu’on voit tourner partout avant de finir intégrés dans nos téléphones iFaitTout.

Note* : parce que bon, on pourrait aussi imaginer envoyer un rayonnement bien pensé vers l’appareil pour le brouiller…

Références

" " sur Wikipedia
sur Valencia Sailing
Philip L. Rogers, Kerry J.Vahala, “Laser doppler velocimeter” United States Patent Nr , 2008

Potentiel hydroélectrique

Sat, 06 Sep 2008 00:00:00 +0000

En Suisse, les barrages alpins construits au milieu du siècle passé produisent 60% de l’électricité. En France, ce n’est “que” 14%, mais c’était plus de 50% dans les années 1950. L’opinion générale est que le potentiel hydroélectrique a été utilisé, donc qu’il faut désormais tabler sur les “nouvelles énergies renouvelables” que sont le solaire et l’éolien, ce qui sous-entend que l’hydraulique en est une vieille, dépassée. Est-ce juste ?

Selon un rapport récent du MINEFI

\[2\]

, la France n’exploite que 70 TWh de son potentiel de 98TWh et pourrait produire 23TWh de plus simplement en développant ses installations existantes, en encore 5TWh avec de mini turbines qui produisent de l’électricité plus chère (mais on pourquoi pas ceux à eau ? ) Pour quelques milliards, EDF pourrait donc accroitre de 5% la part d’hydroélectricité, qui offre donc un potentiel supérieur à l’éolien (2% environ) à un cout moindre.

Le barrage d’Emosson, à la frontière franco-suisse. Il appartient en partie à EDF et en partie au CFF, les chemins de fers suisses, et sert de base à la future installation de turbinage-pompage "Nant de Drance"

Une énergie modulable

De plus, l’hydroélectricité a deux avantage décisifs sur toutes les sources d’énergie électrique disponibles actuellement :

on peut mettre en service en 3 minutes chrono une turbine électrique au moment où la consommation d’énergie augmente (elle varie typiquement de 30% en fonction des heures de la journée). Il faut 11h pour une centrale thermique et 40h pour une tranche nucléaire \[1\]. La production solaire suit par chance grosso-modo la variation de la demande, quand il y a du soleil (ce qui fait qu’il est aberrant de vouloir produire de l’hydrogène par électrolyse avec du courant solaire). Et les éoliennes, elles marchent quand ça souffle…
c’est actuellement le seul moyen de stocker de grosses quantités d’énergie. Quand les centrales nucléaires et thermiques produisent trop d’électricité, ce qui arrive toutes les nuits, la seule chose que l’on puisse faire aujourd’hui est de pomper de l’eau dans les barrages pour la turbiner le lendemain. Le rendement énergétique d’un cycle est très bon, proche de 80% pour des installations récentes, et le rendement économique est fantastique : le kWh acheté 4 centimes la nuit peut parfois être revendu plus d’un franc 12 heures plus tard ! Un placement à 2500% par jour, en liquide, ça vous dirait ?

L’hydroélectricité n’est dont pas une alternative parmi d’autres : c’est un élément indispensable pour un approvisionnement en électricité optimisé, et son potentiel n’est pas épuisé, loin s’en faut.

Une énergie concentrée + un rendement élevé

L’eau de pluie est collectée naturellement dans les bassins versants et concentrée dans des cours d’eau que l’on peut exploiter de deux façons :

en altitude, on la capte à l’aide de barrages dans des conduites forcées et on l’injecter sous haute pression après une chute de l’ordre de 1000m sur une , une antique turbine conçue en 1879 (oui, plus d’un siècle)
sur les fleuves, de petits barrages font tomber des masses d’eau de quelques mètres sur des , inventées aussi au XIXème siècle.

Voici les caractéristiques de ces antiquités comparées à une éolienne et à des cellule photovoltaïques du 21ème siècle, pour ne pas dire du futur (il m’arrive de douter légèrement du progrès, pas vous ? ) :

	Pelton	Francis	Eolienne	Photovoltaïque
diamètre	1-3m	1-10m	80m	144m (16'000 m2)
rendement	90%	80 - 95%	max 59% ( )	10-40%
puissance	60-400 MW	1 - 100 MW	2 MW	2 MW

Ces chiffres montrent qu’un tout petit potentiel hydroélectrique est équivalent à un énorme potentiel éolien ou solaire grâce à l’effet d’entonnoir naturel décrit plus haut, et à la densité de l’eau.

Conclusion:

L’hydroélectricité produit 90% de l’énergie renouvelable de la planète et reste une technologie très compétitive et efficace. Construire des barrages est un travail de titan, avec des retombées humaines et écologiques non négligeables comme on l’a vu d’ aux , mais il n’existe pas d’autre moyen de produire de l’électricité de façon aussi propre, flexible et efficace.

Le potentiel de cette source d’énergie est très important dans de nombreux pays en développement, notamment en Afrique, où il peut fournir de l’électricité à un prix très bas comparé au solaire qu’on voudrait leur fourguer sous prétexte que là bas il y a du soleil.

Dans les pays industrialisés, les sites facilement exploitables ont été exploités pendant près de 50 ans. Maintenant, avec les techniques modernes, les barrages peuvent être agrandis, l’eau captée dans des bassins secondaires, et le stockage par turbinage-pompage permet maintenant de rentabiliser des investissements qui ne se justifiaient pas il y a quelques années.

Avant de subventionner les énergies diluées que sont l’éolien et le solaire, nous devons exploiter au mieux toute l’eau disponible, la seule source d’énergie à la fois propre, flexible et bon marché.

Sources:

“ ”, Actu-Environnement.com - 17/01/2007
. Mars 2006
un site très complet sur l’électricité, et la production et consommation en Suisse en particulier.

Rentabilité des éoliennes

Sat, 30 Aug 2008 00:00:00 +0000

de ce week-end consacre à l’énergie éolienne, décrite dès les premiers mots comme “particulièrement rentable”. Voyons s’il faut vraiment investir dans le vent.

Selon l’article, la , mise en service récemment à Collonges a couté 5 Millions de francs suisses et en rapportera 850'000 par an, ce qui permettra de l’amortir en 5 ans. D’abord, 5'000'000/850'000 ça fait 5.8 , donc plutôt 6 ans que 5, et seulement si on ne doit pas payer d’intérêts sur les 5 millions. Avec un taux raisonnable de 5%, c’est près de 9 ans qu’il faut pour amortir l’installation. Passe encore.

Mais surtout, l’éolienne produira 4.4 millions de kWh par an, et en divisant 850'000 Frs par ce nombre on obtient le prix de revient du kWh produit par cette merveille technologique : 19.8 centimes*, soit le double du prix du kWh produit par les installations hydroélectriques et le quadruple de celui des centrales thermiques, nucléaires ou à gaz !

Selon les lois du marché, cette éolienne est une aberration économique car personne de sensé n’achèterait de l’électricité à ce prix là. Mais voilà, des décisions politiques ont faussé le jeu : à coups de subventions mais surtout en obligeant les distributeurs d’électricité à , il devient intéressant de construire des moulins à vent parce que les clients sont obligés d’acheter !

Il ne faut donc pas s’y tromper : ce qui est “particulièrement rentable”, ce n’est pas l’énergie éolienne, mais bien de puiser dans le porte-monnaie du contribuable-consommateur.

A quelques kilomètres de Collonges, l’installation du va produire 1500GWh par an, soit l’équivalent de 341 énormes éoliennes. L’installation coutera 700 millions de francs suisses, soit le prix de 140 éoliennes “seulement”. Elle produira donc du courant tout aussi propre, sans bruit et avec un impact minime sur le paysage, mais surtout à moins de la moitié du prix de l’éolienne… Et en plus, le Nant de Drance produira l’électricité quand on en aura besoin, pas seulement quand il y aura du vent.

Le plus incroyable, c’est que les installations comme le Nant de Drance seront obligées par la loi à acheter le courant éolien produit la nuit quand personne n’en veut, l’utiliser pour pomper de l’eau vers les hauteurs, puis à la turbiner en journée pour revendre cette énergie, avec une perte à la fois énergétique et financière.

Voilà comment une énergie renouvelable chère devient “rentable” en renchérissant une autre énergie renouvelable bon marché…

Note* ajoutée en 2011 : centimes de francs suisses, environ 15 centimes d’Euro

Références:

“ ” sur ifrap.org. (ajouté le 6.9 : un très bon article sur la situation en France)
“ ”, Groupe de Réflexion sur l’énergie et l’environnement au XXIème siècle de la Société Française d’Energie Nucléaire ( )