Les éoliennes d’hier et de demain

Il m’a été demandé d’intervenir à la Préfecture de Vannes le 2 novembre 2007, dans le cadre du 50ème anniversaire de Vieilles Maisons Françaises, en tant qu’Architecte et Président de l’Association de Sauvegarde des Moulins de Bretagne (ASMB), sur le thème « Energie, patrimoine, environnement, passé et futur ». La réhabilitation des énergies renouvelables (dites énergies nouvelles) est d’actualité avec les accords de Kyoto et l’objectif de la France d’atteindre 21 % de sa production énergétique en telles énergies pour 2010. Solaire, hydro-électricité, photopiles… et développement de l’éolien participent à la lutte engagée contre l’effet de serre.

Les énergies dites nouvelles que sont l’exploitation de l’eau et celle du vent, sont vieilles comme le monde. Leur domestication remonte à l’Antiquité. Une récente application, qui lie tradition et modernité, s’est portée sur la réhabilitation d’un moulin à vent traditionnel pour une exploitation énergétique directe. Elle a été réalisée par l’un de nos adhérents, Michel Mortier, au Moulin de la Fée à Saint-Lyphard (44). Celui-ci a également pu présenter son prototype entièrement automatisé, qui avait déjà fait l’objet d’un article dans le n° 14 de la revue de la FDMF. II produit entre 50 et 80 000 kW/an, soit un potentiel énergétique hors chauffage pour vingt à vingt-cinq habitations.

Les découvertes techniques

VIIème siècle. Invention du moulin à vent dans le Séistan (dans l’ouest de l’Afghanistan où l’énergie hydraulique manquait). Il s’agit de la Panemone avec des voiles sur axe vertical. Il a fallu transformer l’énergie mécanique de translation rectiligne en une énergie de rotation. Elle transmet le mouvement au sol. Son inconvénient est la perte d’énergie pour remonter le vent à chaque tour. Elle a néanmoins l’avantage de pouvoir être installée indépendamment de la direction des vents.

Xème siècle. Généralisation de la Panemone dans toute l’Asie et surtout en Chine où elle est utilisée aux besoins d’irrigation. Elle est encore inconnue en Europe. Elle est placée dans une tour percée d’entonnoirs pour capter le vent sur des pales verticales. Son axe vertical entraîne une paire de meules dans la chambre supérieure de la tour. La chambre inférieure abrite le rotor.

915. Les Persans font de nouveaux progrès technologiques importants avec l’invention des premiers Moulins à vent à axe horizontal. Ils possèdent dix baumes en bois rayonnant autour d’un axe de rotation comme les moulins de Myconos ou du Portugal. Ces baumes s’enroulent de toiles à géométrie variable. Ils peuvent fournir une puissance élevée à condition de les orienter face au vent (M.Breuzard et P. Le Chapellier. L’Energie éolienne. Techniques et Architecture n°315 juin-juillet 1977).

XIIème siècle. Importation du moulin à vent en Europe par les Croisés, d’abord en Angleterre, puis en France. Ils ne seront rendus courants en Italie qu’au XIIIème siècle.

1759. L’Anglais John Smeaton observe qu’avec moins de voilure, on peut rentrer autant d’énergie.

Vers 1840. Apparition des ailes Berton, du nom de leur inventeur. Les ailes sont constituées d’un empilement de planches articulées par une tringlerie et manoeuvrables depuis l’intérieur du moulin. On peut donc rehausser le moulin de un ou deux étages pour en accroître la surface de travail, la productivité et la production sans avoir à grimper dans une voilure.

1868. Ernest Bollée dépose son premier brevet d’éolienne qui porte son nom, munie d’un rotor et d’un stator. La mise au vent se fait par une queue rigide à l’arrière. Il s’agit d’une machine destinée à élever l’eau avec une roue de 2.50 mètres de diamètre et une pompe à chaîne et godets.

1880. Une industrie éolienne de pompage destinée à équiper les ranchs se développe dans l’ouest des USA. Les travaux de John Smeaton sont mis en pratique.

1883. A Batavia dans l’Illinois, fabrication d’un modèle à six pales et de douze pieds de diamètre (3.90 ml) qui produit plus d’ 1 kW pour un vent de 9 m/s.

Eolienne Bollée. Photo M.Sicard.

1885. Le second brevet de l’éolienne Bollée dispose d’une mise au vent par une roue à ailettes placée devant le stator : un papillon orienteur. La pompe à chaîne et godets est remplacée par une pompe à trois corps. La roue a un diamètre de 5 mètres.

1900. La roue multilames métallique du moulin américain était née, et bien au point.

1928. L’éolienne Bollée est une machine devenue parfaite avec une turbine éolienne de 7 mètres de diamètre. Elle est supplantée par l’électricité.

L’électricité

1881. A Paris, Exposition de l’Electricité. Nollet, un belge, prend un brevet pour un aérogénérateur .

1887. Le duc de Feltre fait installer un phare et un moulin à vent de 12 mètres de diamètre pour l’alimenter en électricité avec stockage sur batteries.

1890. Un premier moulin quadripales (sans bâtiment) est installé au sommet d’une tour par un danois, Paul La Cour. Il possède des ailes à volets mobiles (Berton). Un rotor entraîne un arbre vertical au pied duquel se trouve la dynamo génératrice à axe horizontal. Il a une puissance de 30 kW.

1893. Le norvégien Nansen emmène sur le Fram gréé en trois-mâts goélette, dans son expédition arctique, un moulin hollandais, une dynamo et des batteries. Le moulin fut érigé à l’avant, à bâbord, entre l’écoutille et la lisse. Il a donc au Pôle Nord de l’électricité pour s’éclairer quand on s’éclairait encore au gaz à Paris, à Londres ou à New York.

1927. Dekker applique les théories aérodynamiques à la conception des bords d’attaque des profi ls éoliens.

1931. Le 1er Monstre éolien est construit à Balâklava en Crimée. Il a une envergure de 32 mètres pour une puissance de 100 kW (par vent de 11 m/s). Il produit 280 000 kWh/an. Il est mis en service en 1933.

1936. La Société DYNA TECH, à Sioux City dans l’Iowa, fabrique 1000 éoliennes/ mois dans une gamme de 200 à 2500 W. Dans les années 30, il existe près de trois cent sociétés de constructeurs dans le monde.

De 1935 à 1955. Pour des besoins ruraux en milieu isolé, énormément de machines de 30 kW sont construites en URSS et aux USA.

1952. MOREL / EdF mettent au point un aérogénérateur de 5 kW à axe vertical pour un vent de 10 m/s et une vitesse de 50 tr/mn. C’est à peu près l’équivalent de la consistance légale pour un moulin à eau équipé d’une paire de meules.

Après guerre. On lança l’électrifi cation rurale. Ce fut un coup de frein brutal pour les éoliennes. EdF pratiqua avec les inventeurs en leur achetant leurs brevets, comme avec les droits d’eau qu’elle avait rachetés aux meuniers.

De 1958 à 1966. EdF expérimente trois grosses machines à Nogent-le-Roi et à Saint-Rémy des Landes. La première a une envergure de 30 mètres pour une hauteur de 32 mètres à l’axe de son hélice tripale en tôle d’alliage léger. Puissance 800 kW par vent de 16 m/s. Au-delà, la machine est arrêtée. Les trop nombreux problèmes de freinage, d’embrayage, de graissage, d’échauffement des roulements et de jeu mènent à son arrêt complet. La seconde est une machine de 132 kW (pour un vent de 12.5 m/s.), diamètre 21 mètres et vitesse de rotation minimale de 56 tr/mn. Elle ne fournit que 700 000 kW/h en 7ans. En juin 1963, elle est replacée par une troisième de 1000 kW pour un diamètre d’hélice de 21 mètres. Au bout de 2000 heures, un palier à rouleaux casse. Le rêve a cessé.

Qu’en est-il aujourd’hui ?

A la suite du protocole de Kyoto, la France s’est fi xé comme objectif, dans le cadre d’une directive européenne, d’obtenir 21 % de sa consommation d’électricité en 2010 à partir d’énergies renouvelables, contre 15 % en début 2004. Pour respecter
cet objectif, elle doit mener deux actions de front :
• développer les énergies renouvelables, en particulier la fi lière éolienne,
• mieux maîtriser la consommation d’électricité.
Bien entendu, l’éolien ne pourra jamais contrebalancer le nucléaire, ni produire et répondre à l’ensemble des besoins énergétiques de la France ou de la planète. Il n’est pas envisagé comme une source de production de base et, en période de pointe,
chaque mégawatt produit par des éoliennes ne l’est pas par une centrale thermique. C’est une énergie propre, sans émission de gaz à effet de serre.
Aujourd’hui, une éolienne est constituée d’un mât de 50 à 100 mètres de hauteur. A son sommet se trouve une nacelle équipée d’un rotor à axe horizontal à trois pales mises en rotation par le vent.

Photo E.Drouard

Le diamètre de giration varie de 40 à 120 mètres et la vitesse de rotation entre 10 et 25 tr/mn.
L’énergie mécanique ainsi produite est transformée en énergie électrique dans la nacelle grâce à une génératrice.
En France, une éolienne développe une puissance d’environ 2 mW et permet d’alimenter environ deux mille foyers hors chauffage.
Les machines s’arrêtent automatiquement quand la vitesse du vent dépasse 90 km/h, soit 25 m/s. Elles sont protégées par des paratonnerres.

Le parc éolien français produit 1567 mW en 2006, soit 1 % de notre consommation électrique. Les prévisions de 2004 étaient de 2000 mW pour 2007, et de 12000 mW pour 2009, soit 3 %. La prévision pour 2020 envisage d’atteindre 11 % de notre
consommation.
Actuellement, l’Espagne dispose de 11615 mW installés sur 436 parcs éoliens, soit l’équivalent de 6 centrales nucléaires et 20 % de l’énergie éolienne mondiale.
Les chiffres de 2006 donnent une production éolienne ainsi répartie :
Allemagne 20622 mW, Espagne 11615 mW, U.S.A. 11603 mW, Inde 6270 mW, Danemark 3126 mW, Chine 2405 mW, Italie 2123 mW, Royaume-Uni 1963 mW, Portugal 1650 mW, France 1567 mW. L’Union Européenne représente 70 % de la capacité éolienne mondiale. La France possède le deuxième gisement éolien d’Europe après la Grande-Bretagne. Les perspectives de croissance sont donc très importantes. L’arrêté du 7 Juillet 2006 fi xe l’objectif de la France à une production de 13500 mW éoliens en 2010 (dont 1000 mW en mer) et de 17000 mW éoliens en 2015 (dont 4000 mW en mer).

Photo Studio l’Alternative – Fotolia

Le marché de l’éolien

Depuis 1993, on observe une progression du marché des aérogénérateurs de 40 % par an, et des taux de croissance de 20 % par an sont prévus pour les années qui viennent. Actuellement, il existe environ quarante fabricants d’éoliennes dans le monde. L’énergie éolienne gagne du terrain tant dans les pays développés que dans ceux en voie de développement. Dans les premiers, c’est avant tout pour ses qualités non polluantes qu’elle est l’objet d’un intérêt croissant. Dans les seconds, sa popularité est liée à son installation rapide et son fonctionnement sans combustible.

Comme toutes les nouvelles techniques de production d’électricité à leurs débuts, le kW/h éolien est plus cher que celui produit par les centrales classiques. Ce surcoût est pris en charge par tous les consommateurs d’électricité. Il représente actuellement une partie minime de 3 à 6 € par ménage et par an. De plus, cette valeur ne tient pas compte des économies engendrées par les créations d’emplois et par les moindres impacts sur l’environnement d’un tel programme.

Eric Drouart – Article paru dans le Monde des Moulins – N°26 – octobre 2008