RETScreen - Analyse de projets de centrale éolienne - Notes du formateur
DIAPOSITIVE 1 : Analyse de projets de centrale éolienne
Ceci est le module de formation Analyse de projets de centrale éolienne du cours d'analyse de projets d'énergies propres de RETScreen International. Dans cette présentation, nous examinerons l'exploitation de l'énergie du vent pour produire de l'électricité au moyen d'éoliennes, comme celle qui est montrée dans cette photo.
DIAPOSITIVE 2 : Objectifs
Ce module vise 3 objectifs : le premier est de passer en revue les principes fondamentaux de l'énergie éolienne; le deuxième de vous présenter quels peuvent être les éléments essentiels à considérer dans une analyse de projet de centrale éolienne; et le troisième de vous présenter le modèle RETScreen International pour projets de centrale éolienne.
DIAPOSITIVE 3 : Qu'est-ce que les centrales éoliennes fournissent?
De l'électricité tout simplement. Cette électricité peut servir à alimenter un réseau central ou un réseau isolé, ou encore être utilisé comme alimentation autonome dans un système hors réseau ou pour le pompage de l'eau.
De plus en plus d'éoliennes dans le monde contribuent à l'alimentation de réseaux centraux. On appelle réseau central, un réseau électrique d'envergure, couvrant un large territoire et comprenant aussi bien des centrales électriques, que des lignes de transport et de distribution de l'électricité jusqu'à l'utilisateur final. Par exemple, les éoliennes que l'on voit ici, situées à Palm Springs en Californie, sont raccordées au réseau électrique du continent nord-américain; si bien que l'électricité qu'elles génèrent peut être utilisée par des consommateurs très proches comme très loin de l'endroit physique où se trouvent les éoliennes.
Un réseau isolé est de plus faible envergure qu'un réseau central et il n'y est pas raccordé. Il permet d'approvisionner en électricité de petites communautés éloignées, ou isolées comme dans le cas d'une île. L'énergie éolienne s'avère d'autant plus avantageuse que le prix de revient de l'électricité produite dans de telles communautés
est généralement assez élevé.
Dans d'autres cas, on a besoin d'électricité en des lieux éloignés de tout réseau électrique. Des exemples typiques d'une telle situation sont les relais de télécommunications situés au sommet d'une montagne, les phares en mer ou encore les refuges de montagne ou les chalets isolés. Une éolienne peut être une solution très rentable pour alimenter de tels sites.
L'eau nécessaire aux besoins vitaux d'une population, à l'élevage, ou même à l'irrigation doit souvent être pompée. S'il n'y a pas d'électricité disponible, l'énergie éolienne peut offrir une solution. Des centaines de milliers de pompes à eau mues par un moulin à vent ont été installés à travers l'Amérique du Nord et font partie de l'histoire du développement rural américain. Alors que ces machines, purement mécaniques, ont maintenant disparu ou sont tombées hors d'usage, on utilise à nouveau en certains endroits le vent pour produire l'électricité nécessaire à alimenter les pompes de certains puits isolés.
La première fonction des éoliennes est donc de produire de l'électricité, mais leur utilisation présente d'autres avantages. Selon la disponibilité du vent, il est possible d'installer des éoliennes à tout endroit d'un réseau électrique et en particulier là où il est le plus faible, c'est-à-dire aux endroits les plus éloignés des centrales électriques.
Les grandes éoliennes sont maintenant conçues de manière à améliorer la qualité de l'onde et la stabilité du courant disponible sur un réseau électrique. De plus, en les installant en différents points du réseau, proche des consommateurs, les éoliennes permettent de répondre aux besoins croissants d'électricité sans avoir besoin d'augmenter la capacité des lignes de transport autrement nécessaires pour rentabiliser des centrales électriques construites avec de grandes puissances pour abaisser les coûts de production d'électricité. On peut donc réduire les pertes de transport d'électricité sur de longues distances.
Enfin, le vent étant une ressource disponible gratuitement, la production d'électricité d'origine éolienne peut être planifiée avec des coûts beaucoup plus stables que lorsque l'on dépend de combustibles fossiles.
DIAPOSITIVE 4 : Description d'une éolienne
Nous allons passer en revue les différents éléments constituant une éolienne en commençant par ceux qui sont en contact avec la force du vent, pour passer à ceux qui assurent la production d'électricité, puis finir par les éléments de structures nécessaires à une telle installation.
L'hélice d'une éolienne est constituée de plusieurs pales. Chacune de ces pales se comporte exactement comme une aile dans le vent dont la poussée crée une force perpendiculaire à cette pale (la portance). Les pales sont inclinées de manière à ce que cette force mette l'hélice en rotation. L'axe de l'hélice transfert ensuite la force motrice à une génératrice électrique. Dans les grandes éoliennes, l'hélice tourne entre 15 et 30 tours par minutes, ce qui est une vitesse généralement insuffisante pour la plupart des génératrices qui doivent produire du courant à une fréquence de 50 ou 60 Hz. Il est donc nécessaire d'utiliser une boîte de vitesses qui joue le rôle de multiplicateur.
Dans la plupart des éoliennes comme celle illustrée ici, une nacelle située en haut d'une tour loge la boîte de vitesse et la génératrice électrique. La tour peut être tubulaire, ce qui est de plus en plus courant dans les grandes éoliennes, ou constituée d'une structure en treillis similaire à celles des pylônes électriques. Les éoliennes de petite taille peuvent plus simplement être installées sur un mât haubané. Si on ne veut pas utiliser de haubans, le mât peut être installé sur une structure massive. Une éolienne comprend des systèmes de commande et de sécurité qui permettent de la contrôler dans toutes les conditions météorologiques.
Il y a deux grands types d'éoliennes, celles à axe horizontal et celles à axe vertical. Ces dernières, appelées de type Darrieus d'après leur inventeur, ont la forme d'un batteur à oeufs. Dans cette configuration, les pièces essentielles se trouvent au niveau du sol, ce qui facilite leur entretien. Cependant, ce n'est pas ce type d'éoliennes qui a conquis le marché mais plutôt celui des éoliennes à axe horizontal, où les fabricants danois ont su mettre en valeur leur conception comprenant une hélice à 3 pales située en amont de la nacelle. L'éolienne est orientée face au vent par des moteurs commandés par des anémomètres et une girouette, tous montés sur la nacelle de l'éolienne même.
L'énergie produite par une éolienne est proportionnelle à la surface balayée par son hélice. Indépendamment de la génératrice installée, c'est d'abord la surface balayée par l'hélice qui déterminera la puissance de l'éolienne à une vitesse donnée du vent. Les éoliennes raccordées aux réseaux centraux ces 20 dernières années ont vu leurs dimensions augmenter considérablement. Les hélices des grandes éoliennes dépassent 80 m de diamètre. C'est un peu comme si on épinglait un Boeing 747 par le milieu pour le faire tourner dans un plan vertical! La hauteur des tours a également augmenté et les nacelles des grandes éoliennes sont maintenant installées à des hauteurs variant entre 40 et 70 m.
DIAPOSITIVE 5 : Utilisation de l'énergie éolienne
La large gamme d'applications des éoliennes est reflétée par le grand nombre de modèles de puissances différentes qui sont offerts sur le marché.
Pour les applications hors réseau, les éoliennes sont généralement petites, avec des puissances allant d'aussi peu que 50 W à 10 kW environ. Comme la puissance produite dépend du vent, ces éoliennes sont généralement utilisées pour recharger des accumulateurs qui assurent ensuite les besoins d'électricité indépendamment du vent. Sur cette photo, on voit une éolienne de 10 kW installée au centre de vacances Costa de Cocos au Mexique. De telles éoliennes de faible puissance peuvent aussi être utilisées pour pomper de l'eau.
Ce sont généralement des éoliennes de puissances intermédiaires, entre 10 et 200 kW, qui sont raccordées à des réseaux isolés dont la principale alimentation est généralement assurée par des groupes diesel-électrogènes. Dans ce type d'application, le carburant est généralement plus cher car il faut prévoir des coûts de transport additionnels vers ces communautés isolées parfois difficilement accessibles. L'énergie éolienne produite permet de réduite la consommation de carburant et le taux de pénétration de l'énergie éolienne (le rapport entre la puissance de l'éolienne et la puissance de pointe du réseau) est généralement faible pour que le groupe diesel-électrogène puisse constamment assurer la régulation du réseau et répondre aux variations de la demande électrique. Il est possible d'avoir de plus fort taux de pénétration de l'énergie éolienne, au point d'arrêter le groupe électrogène à certaines périodes. On régule alors la demande électrique du réseau en délestant certaines charges non prioritaires.
Les plus grandes éoliennes sont utilisées pour être raccordées à des réseaux centraux. Les premières éoliennes de ce type avaient des puissances de l'ordre de 200 kW mais maintenant on installe des machines dont la puissance est au moins de 1 MW, voire 2 MW pour des installations offshore (c'est-à-dire en mer). Même si un propriétaire peut posséder et exploiter une seule éolienne, une centrale éolienne est généralement constituée d'un parc comprenant d'une dizaine à plusieurs centaines de machines. Cela permet de répartir les coûts fixes de développement d'une centrale sur une plus grande puissance installée.
DIAPOSITIVE 6 : Étapes d'un projet de centrale éolienne
Il y a plusieurs étapes nécessaires pour pouvoir mener à bien un projet éolien, surtout lorsqu'il est d'envergure. La première étape est très importante : il s'agit d'évaluer la ressource ou le « gisement éolien » c'est-à-dire à quelle fréquence le vent souffle, à quelle vitesse et dans quelle direction. Cette évaluation peut nécessiter l'installation d'une ou plusieurs tours météorologiques ou l'utilisation de modèles informatiques sophistiqués. Ces derniers permettent d'adapter à la topographie particulière du site éolien, les données obtenues des services météorologiques établies pour une région donnée et d'en déduire le potentiel éolien de ce site. Les tours météorologiques, quant à elle, permettent d'avoir une mesure directe de ce potentiel sur le site même, au moyen d'anémomètres et de girouettes placés à différentes hauteurs du sol. Considérant la hauteur des éoliennes actuelles, il est préférable d'effectuer ces mesures à des hauteurs de 40 à 60 m et ce, sur une période allant de 3 mois à 2 ans.
La photo du haut montre la mise en place d'une tour météorologique haubanée de 40 m de haut. Les coûts d'une telle évaluation d'un site ne se justifient que pour des projets d'une certaine envergure.
Une fois qu'un site a été retenu, il faut passer à l'étape d'évaluation environnementale et d'obtention des permis. Viennent ensuite l'obtention du financement et, dans le cas d'un producteur indépendant, la négociation d'un contrat de vente de l'électricité produite. Avant de passer à la construction, le projet doit être planifié, surtout au niveau de la localisation des éoliennes, du génie électrique et du génie civil.
La construction des éoliennes elles-mêmes est généralement assez rapide mais un projet comprend aussi la construction de chemins d'accès, de lignes électriques et de postes de raccordement. La photo du bas montre le poste électrique de raccordement du parc éolien de Altamount Pass en Californie. Ce parc comprend des éoliennes à axes horizontal mais on aperçoit également une éolienne à axe vertical.
Le développement d'un projet de centrale éolienne prend de 2 à 4 ans en moyenne entre le moment où l'on décide d'évaluer le potentiel d'un site, et la mise en route de la centrale.
DIAPOSITIVE 7 : Potentiel éolien
Pour qu'un projet soit rentable, il est essentiel de s'assurer que l'on dispose d'une ressource suffisante. La vitesse moyenne du vent sur un site est un facteur déterminant car l'énergie qui y sera produite varie proportionnellement au cube de cette vitesse. Aussi, une vitesse moyenne annuelle de vent 2 fois plus élevée signifie que l'on produira 8 fois plus d'énergie au cours d'une année. Un site idéal bénéficie de vents assez forts et constants, avec peu de périodes calmes ou de tempêtes qui obligent l'arrêt de la machine.
La vitesse du vent augmente à mesure que l'on s'élève du sol; aussi des données de vitesse de vents ne sont significatives que lorsque l'on donne la hauteur à laquelle elles ont été prises. En général, pour qu'un projet éolien puisse être envisagé, il est nécessaire que la vitesse moyenne annuelle du vent soit supérieure à 4 m/s à 10 m du sol.
Les centrales éoliennes en exploitation ont été bâties sur des sites ayant des vitesses moyennes du vent bien supérieures.
Il est difficile d'évaluer la vitesse moyenne du vent sur un site si l'on ne dispose pas de mesures sur une période suffisamment longue. Lorsque l'on ne dispose pas de telles données, on a tendance à surestimer le potentiel d'un site en oubliant de compter les heures de calme plat.
Certains reliefs peuvent accélérer le vent et des sites sont privilégiés pour réaliser des projets éoliens. C'est le cas des crêtes de montagnes arrondies (c'est-à-dire pas des falaises), des cols entre deux montagnes ou des vallées créant un effet d'entonnoir. Enfin, certaines régions présentant peu d'obstacles au vent sont également favorables, comme les bords de mer et les prairies.
La vitesse du vent varie au cours d'une journée et selon les saisons; elle est généralement plus élevée le jour que la nuit, et en hiver plutôt qu'en été. Aussi, la production d'électricité éolienne coïncide avec les périodes de plus forte demande, du moins dans les pays froids.
La figure que l'on voit ici montre la courbe de puissance d'une éolienne de 1 MW. Cette courbe donne la puissance produite, en kW, en fonction de la vitesse du vent, en m/s. On voit qu'en dessous du seuil de 4 m/s, il n'y a pas d'électricité produite, c'est la vitesse de démarrage de l'éolienne. La puissance augmente ensuite jusqu'à la vitesse de vent de 15 m/s où l'éolienne atteint sa puissance maximale nominale qu'elle maintient jusqu'à la vitesse de vent de 25 m/s au delà de laquelle on stoppe la machine par sécurité.
DIAPOSITIVE 8 : Coûts d'une centrale éolienne
Actuellement un projet éolien revient à environ 1 500 $ canadiens du kW installé. Les frais d'exploitation et d'entretien représentent un montant équivalent à 1 ¢ par kWh produit, si bien que l'électricité produite est généralement vendue entre 4 et 10 ¢ le kWh.
Le graphique présenté ici illustre la répartition des coûts d'un projet éolien. On voit que les éoliennes représentent typiquement 70 % des coûts du projet et que les infrastructures connexes, essentiellement les lignes électriques et le poste de raccordement, représentent un autre 20 %. La phase de développement et de conception du projet ne représente que 10 % des coûts d'un tel projet.
Lorsqu'on installe une seule éolienne ou lorsqu'il s'agit d'un réseau isolé, les coûts seront généralement plus élevés et les coûts relatifs de l'étude de faisabilité, de développement et de conception seront également plus élevés en proportion de la puissance installée.
Enfin, en plus des coûts d'investissement initiaux, et des frais d'exploitation et d'entretien régulier, il faut s'assurer de prévoir un budget permettant de couvrir des réparations importantes. Ainsi, il faut prévoir qu'avant la fin de sa durée de vie utile, au moins un élément important d'une éolienne aura besoin d'être remplacé et que ce remplacement pourra représenter de 20 à 25 % des coûts initiaux de l'éolienne. Les pales et les boîtes d'engrenage sont les éléments les plus sujets à de telles réparations.
DIAPOSITIVE 9 : Enjeux d'un projet de centrale éolienne
Lors du développement d'un projet éolien, plusieurs facteurs doivent être pris en compte. En voici les plus importants :
Tout d'abord, rappelons l'importance de bien connaître le potentiel éolien du site que l'on veut développer : le coût du kWh éolien peut diminuer considérablement même avec une faible augmentation de la vitesse moyenne du vent. C'est pourquoi il est recommandé d'investir dans une bonne évaluation de la ressource en vent, de manière à pouvoir planifier le projet sur des données fiables.
La rentabilité d'un projet éolien peut être améliorée de manière importante si on peut compter sur d'autres revenus que la seule vente d'électricité au taux du marché. Ces autres revenus peuvent provenir des différentes formes de crédits dont peut bénéficier l'électricité d'origine renouvelable ou non polluante auprès des gouvernements ou de compagnies publiques d'électricité; ou encore des crédits pour réduction d'émissions de gaz à effet de serre tels qu'envisagés dans les mécanismes d'échange du Protocole de Kyoto. Cependant, une bonne ressource en vent et des revenus additionnels ne suffisent pas toujours à garantir le succès d'un projet éolien. Les projets les plus prometteurs peuvent échouer tout simplement parce que l'on a sous-estimé les difficultés de faire accepter le projet au plan environnemental, que l'on a pas su aller chercher le soutien de la population locale ou encore pour des problèmes de raccordement au réseau électrique, qui peut par exemple ne pas pouvoir accueillir localement le surplus de puissance qu'y injecterait le projet éolien proposé.
Enfin, les paramètres financiers ont une grande importance dans la rentabilité d'un projet éolien qui demande un important capital investi. Si les taux d'actualisation et d'intérêt sont plus bas un projet deviendra beaucoup plus rentable. Convaincre des partenaires financiers qu'un projet éolien est un investissement à risque raisonnable peut être une lourde tâche. Les taux de change entre devises étrangères auront aussi leur importance si l'on considère que plusieurs pièces mécaniques seront payées en Euro puisqu'elles auront de grandes chances de parvenir d'Europe et du Danemark en particulier.
Cette photo représente une des 133 éoliennes installées dans l'Est du Québec et fait partie du projet Le Nordais, le plus grand parc éolien au Canada.
DIAPOSITIVE 10 : Centrale éolienne en réseau central - Exemples : Europe et États-Unis
La photo de droite montre le parc éolien de Lolland au Danemark. Ce projet de 9,6 MW a été installé sur la bande côtière. Les photos de gauche montre un ancien parc éolien, construit à Palm Springs en Californie.
Bien que la puissance produite par une éolienne varie avec la force du vent, il est relativement facile d'intégrer un parc éolien à un réseau central. Malgré certaines croyances, il n'est pas nécessaire de recourir à des accumulateurs électriques pour absorber les variations de la puissance produite. C'est plutôt le réseau électrique qui, avec son inertie, absorbera la puissance au fur et à mesure qu'elle est offerte.
En effet, les réseaux électriques sont déjà conçus pour s'adapter aux variations imprévisibles de la demande électrique des consommateurs. Un parc éolien peut donc être considéré comme une charge « négative » qui varie dans le temps et le réseau peut la gérer comme telle. De plus, lorsque différents parcs éoliens sont répartis sur un vaste territoire, il y a un effet de moyenne qui diminue les variations en ampleur et en rapidité.
Cependant, il est clair qu'il y a une limite sur la proportion de la puissance éolienne installée par rapport à la capacité d'un réseau central, pour que celui-ci puisse s'adapter à ces variations. Les expériences réalisées au Danemark et dans certaines régions allemandes montrent que l'énergie éolienne peut représenter une proportion aussi élevées que 17 % de l'énergie produite sur un réseau national ou régional, et ce, sans qu'il y ait eu besoin de construire des centrales électriques de pointe pour compenser les périodes sans vent. Cette proportion limite peut varier d'une région à l'autre et il existe certains cas où la trop grande variabilité de l'énergie éolienne est un obstacle à son utilisation dans des conditions économiquement rentables.
Des études montrent que l'énergie éolienne s'intègre particulièrement bien aux réseaux ayant une forte proportion d'hydroélectricité, comme par exemple dans les provinces canadiennes du Québec, du Manitoba et de la Colombie Britannique. Les réservoirs hydroélectriques peuvent répondre aux besoins pendant les périodes de vent calme. En retour, les réserves hydroélectriques sont économisées pendant les périodes venteuses.
L'énergie éolienne n'est pas soumise à la volatilité des prix de l'électricité produite avec des combustibles fossiles. De plus, elle peut être déployée par étapes, de quelques centaines de kilowatt à quelques centaines de megawatt, et chaque projet peut être rapidement mis en place, alors que les centrales électriques classiques doivent être construites avec des niveaux de puissance beaucoup plus importants, et être planifiées plusieurs années à l'avance. C'est encore plus vrai avec des centrales nucléaires. Les risques financiers d'installer de la surcapacité électrique 5 à 10 ans à l'avance sont donc assez élevés en cas de ralentissement de l'activité économique, sans compter les variations de prix des combustibles qui affecteront la rentabilité de telles centrales. Un parc éolien, qui peut être installé en 2 à 4 ans seulement est donc exposé à de moindres risques financiers.
Les parcs éoliens ayant de nombreuses machines totalisant plusieurs centaines de MW de capacité occupent de grands espaces. Cependant, la surface de terrain effectivement occupée par les éoliennes, les chemins d'accès et les lignes électriques ne représentent qu'environ 1 % du site. 99 % de l'espace d'un tel site reste disponible pour d'autres utilisations, par exemple des activités agricoles.
Si les grands parcs éoliens constituent la majeure partie des projets éoliens de raccordement aux réseaux électriques, il est également possible pour des particuliers, des petites entreprises ou des coopératives de posséder et d'exploiter une seule éolienne ou un petit nombre de telles machines. Ainsi, au Danemark, 80 % des éoliennes installées appartiennent à des particuliers ou à des coopératives locales.
À Toronto, en Ontario, au Canada, une coopérative regroupant des individus intéressés au développement des énergies renouvelables, a récemment fait installer une éolienne de 700 kW sur la rive du Lac Ontario.
DIAPOSITIVE 11 : Centrale éolienne en réseau isolé - Exemples : Inde et Canada
De nombreuses communautés insulaires ou éloignées comme au Canada et en Alaska, ou encore de pays en voie de développement ayant peu d'infrastructures, sont trop éloignées d'un réseau central d'électricité pour que leur raccordement soit rentable. On préfère se contenter d'un réseau local alimenté par un groupe diesel électrogène. Le prix de revient du kWh est élevé car le carburant diesel, déjà cher, doit en plus être transporté jusqu'à ces communautés alors que les groupes électrogènes utilisés ne sont pas toujours très performants.
L'installation d'éoliennes permet de réduire la consommation de carburant et abaisse le coût de production de l'électricité dans ces communautés. Les variations de la puissance produite par l'éolienne peuvent être absorbées soit par le groupe électrogène, soit par la gestion de charges électriques non prioritaires, c'est-à-dire délestables sans que les utilisateurs ne soient pénalisés (par ex. des chauffe-eau électriques). Les éoliennes utilisées sur des réseaux isolés doivent être rustiques, c'est-à-dire robustes et fiables et se contenter d'un faible entretien. En effet, il sera généralement difficile de pouvoir compter disposer de matériel et de main d'oeuvre compétente pour assurer, à un coût raisonnable, l'entretien des éoliennes qui auront été installées dans de telles communautés. En revanche, l'exploitant du réseau local devra avoir reçu la formation nécessaire à établir une bonne surveillance de l'éolienne et à en assurer l'entretien courant. Sinon, même les éoliennes les plus rustiques finiront par faire défaut.
Les 2 photos montrent des éoliennes de 50 kW chacune. À gauche, on voit le montage d'une machine faisant partie d'un petit parc éolien alimentant le réseau de l'île de Sagar dans le Bengale occidental, en Inde.
À droite, on voit une éolienne qui a été installée dans une communauté très éloignée du Grand Nord canadien, celle de Rankin Inlet au Nunavut.
DIAPOSITIVE 12 : Centrale éolienne hors réseau - Exemples : États-Unis, Brésil et Chili
Il existe de nombreux besoins en petites quantités d'électricité, en des endroits éloignés
de tout réseau électrique; par exemple, pour l'alimentation de petits villages éloignés, de centres de villégiature, de chalets ou de refuges isolés, de pompes à eau, ou encore pour des usages spécialisés en télésurveillance ou dans le secteur des télécommunications. Lorsque ces besoins doivent être assurés dans des régions venteuses, l'installation d'une éolienne peut être beaucoup plus avantageuse que de prolonger le réseau électrique jusqu'à cet endroit isolé, ou encore que d'utiliser un groupe électrogène comme source unique d'électricité.
Comme le vent ne souffle pas toujours, on utilise des accumulateurs électriques ou un réservoir d'eau en hauteur (dans le cas du pompage de l'eau) pour combler les besoins par temps calme. Stocker de l'électricité est plus complexe que de stocker de l'eau et on a recours à des accumulateurs à décharge profonde de type acide/plomb ou cadmium/nickel. Ces accumulateurs nécessitent un entretien plus suivi et des remplacements périodiques, surtout dans le cas des accumulateurs acide/plomb.
Une éolienne peut aussi être utilisée en conjonction à un groupe électrogène et former ce que l'on appelle un système hybride comprenant des accumulateurs utilisés pour un stockage à court terme, un groupe électrogène utilisé pendant les périodes sans vent qui se prolongent ou assurer des besoins électriques de pointe, une éolienne et parfois un système photovoltaïque. Les systèmes hybrides ont de nombreux avantages. D'abord, ils combinent des sources complémentaires d'énergie. L'énergie éolienne ou photovoltaïque nécessite des investissements élevés mais réduisent les frais d'exploitation alors qu'un groupe électrogène est peu cher à l'acquisition mais utilise du carburant coûteux. Dans un système hybride, on a donc la possibilité de trouver un compromis optimal entre coûts d'investissement et frais d'exploitation. De plus, un système hybride augmente la fiabilité d'approvisionnement électrique en combinant des sources d'énergie qui prennent le relais l'une de l'autre lorsque l'une d'entre elles vient à manquer. C'est encore plus vrai lorsqu'on combine un système photovoltaïque à une éolienne et à un groupe électrogène.
Cependant, la conception, l'installation, la mise en route et le contrôle d'un système hybride sont plus délicats, de même que leur exploitation et leur entretien.
C'est pourquoi les systèmes hybrides sont souvent réservés à des systèmes hors réseaux conçus pour répondre à des charges plus élevées ou à des applications professionnelles spécialisées comme des relais de télécommunications.
Nous voyons sur la photo de gauche une éolienne de 400 W utilisée pour alimenter un système de télécommunications en Arizona, aux États-Unis. Au centre, il s'agit d'un système hybride qui alimente un village hors réseau, sur l'île de Marajo au Nord du Brésil. Ce système combine 50 kW de puissance installée en photovoltaïque et en éolienne et comprend une batterie d'accumulateurs. La photo de droite montre une éolienne de 1 kW utilisée pour recharger les accumulateurs d'une école rurale à la Villa Tehuelche à Punto Arenas au Chili.
DIAPOSITIVE 13 : Modèle RETScreen pour les projets de centrale éolienne
Le modèle RETScreen est simple et très utile pour réaliser une évaluation préliminaire de la faisabilité technique et financière d'un projet éolien, et ce, n'importe où dans le monde. Cet outil permet d'obtenir la production annuelle d'électricité, les coûts globaux sur la durée de vie du projet et la réduction des émissions de gaz à effet de serre qu'il procure. Cette analyse concerne aussi bien des centrales éoliennes raccordées à un réseau central, que des centrales d'éoliennes raccordées à un réseau isolé, aussi bien des éoliennes seules que des parcs éoliens, Pour l'instant, le raccordement à une alimentation électrique autonome avec accumulateurs électriques ne fait pas partie du modèle RETScreen.
Pour utiliser le modèle, on a besoin d'informations sur la vitesse du vent et sa distribution au cours d'une année. Si l'utilisateur n'a pas ce type d'information, il n'a qu'à donner la vitesse moyenne annuelle de vent et le modèle utilise un profil typique de distribution des vitesses, la distribution de Rayleigh. Si l'utilisateur a une meilleure idée du profil de distribution des vitesses, il peut entrer dans le modèle un paramètre d'ajustement d'un autre type de distribution des vitesses : la distribution de Weibull. Enfin, l'utilisateur a la possibilité d'entrer directement des valeurs de production énergétique annuelle à partir de la courbe de puissance de l'éolienne retenue, s'il connaît exactement les valeurs de la courbe de distribution annuelle des vitesses correspondant au site étudié. L'utilisateur n'est donc pas limité à un modèle de distribution typique des vitesses de vents. Cependant, s'il estime qu'un tel modèle est suffisant pour une étude de faisabilité, il peut se contenter de connaître uniquement la vitesse moyenne annuelle du vent du site étudié.
DIAPOSITIVE 14 : Calculs RETScreen : centrale éolienne
Comme on l'a mentionné précédemment, l'utilisateur peut se contenter de ne fournir à RETScreen que la seule valeur de la vitesse moyenne annuelle du vent. Il doit ensuite spécifier le type de distribution des vitesses qui correspond le mieux au site, ce qui détermine le profil de la courbe de fréquence des vitesses du vent au cours d'une année, autour de la valeur moyenne annuelle de la vitesse de vent qui a été spécifiée. Cette courbe de fréquence des vitesses du vent est à la base du calcul de la production annuelle d'énergie éolienne dans le modèle énergétique du logiciel RETScreen.
En combinant la courbe de fréquence des vitesses du vent, à la courbe de puissance caractéristique de l'éolienne, on obtient la courbe de fréquence des puissances générées par l'éolienne au cours d'une année qui, après intégration, donne la quantité annuelle d'énergie produite. La courbe de puissance caractéristique de l'éolienne peut être obtenue directement à partir de la base de données de produits de RETScreen.
Pour un même profil de distribution des vitesses, en faisant varier la vitesse moyenne annuelle du vent, on peut générer une courbe donnant la production annuelle d'énergie de l'éolienne en fonction de la vitesse moyenne annuelle du vent.
À cette étape du calcul, la valeur de l'énergie produite annuellement est une valeur non corrigée. Une première correction concerne la densité de l'air qui dépend de la
température et de la pression atmosphérique et les valeurs nécessaires à cette correction font partie de la base de données météorologiques intégrée à RETScreen. On obtient alors une valeur brute de l'énergie produite annuellement. Une deuxième correction s'applique et concerne les pertes de rendement des éoliennes dues à l'effet de sillage d'autres éoliennes dans un parc éolien, à l'encrassement ou à la formation de givre sur les pales et aux arrêts de la machine pour son entretien ou des réparations. On obtient alors la quantité d'énergie qui peut être produite par le système en un an.
RETScreen compare alors l'énergie éolienne produite à l'énergie qui peut être absorbée par le réseau électrique dans le cas d'un réseau isolé. L'énergie éolienne qui excède la demande d'électricité sur le réseau n'est pas utile et par conséquent, la quantité d'énergie renouvelable qui sera effectivement fournie au réseau sera plus faible que la quantité d'énergie éolienne qui aurait pu être produite. Dans le cas d'un réseau central, on considère que l'énergie renouvelable fournie au réseau est égale à l'énergie éolienne qui peut être produite.
Le modèle RETScreen fournit d'autres valeurs qui découlent de l'énergie produite annuellement, telles que le rendement spécifique et le facteur de puissance de la centrale éolienne ou encore l'excès d'énergie renouvelable qui pourrait être exploité.
DIAPOSITIVE 15 : Exemple : validation du modèle RETScreen pour les projets de centrale éolienne
Le modèle RETScreen a été validé de plusieurs façons. Par exemple, on l'a comparé au modèle de simulation horaire HOMER du National Renewable Energy Laboratory, appliqué au cas de la centrale de 10 éoliennes de 50 kW du réseau isolé de Kotzebue, en Alaska. RETScreen et HOMER arrivent à la même valeur de l'énergie produite annuellement, et ce à 1,1 % près.
On a ensuite comparé les résultats de RETScreen aux données réellement mesurées dans le projet. Pour la période de 1998 à 2000, RETScreen a sous-estimé l'énergie produite de 8 à 10 % seulement par rapport à l'énergie qui a été réellement produite. Il s'agit d'un niveau de précision suffisamment acceptable pour une analyse préliminaire de faisabilité.
DIAPOSITIVE 16 : Conclusions
Les éoliennes sont une technologie fiable et éprouvée permettant de fournir, en tout endroit du monde, de l'électricité hors réseau ou pour alimenter un réseau électrique.
Comme la puissance produite par une éolienne varie comme le cube de la vitesse du vent, le paramètre ayant le plus d'influence sur la rentabilité d'un projet est la vitesse moyenne annuelle du vent.
Les crédits pour production d'énergie renouvelable ou non polluante ou autres primes accordées par les services publics ou les gouvernements améliorent la rentabilité financière des projets de développement éolien raccordés au réseau.
Nous voyons sur la photo de gauche une éolienne de 400 W utilisée pour alimenter un système de télécommunications en Arizona, aux États-Unis. Au centre, il s'agit d'un système hybride qui alimente un village hors réseau, sur l'île de Marajo au Nord du Brésil. Ce système combine 50 kW de puissance installée en photovoltaïque et en éolienne et comprend une batterie d'accumulateurs. La photo de droite montre une éolienne de 1 kW utilisée pour recharger les accumulateurs d'une école rurale à la Villa Tehuelche à Punto Arenas au Chili.
DIAPOSITIVE 17 : Questions?
Voici la fin du module de formation Analyse de projets de centrale éolienne du cours d'analyse de projets d'énergies propres de RETScreen International.
Ceci est le module de formation Analyse de projets de centrale éolienne du cours d'analyse de projets d'énergies propres de RETScreen International. Dans cette présentation, nous examinerons l'exploitation de l'énergie du vent pour produire de l'électricité au moyen d'éoliennes, comme celle qui est montrée dans cette photo.
DIAPOSITIVE 2 : Objectifs
Ce module vise 3 objectifs : le premier est de passer en revue les principes fondamentaux de l'énergie éolienne; le deuxième de vous présenter quels peuvent être les éléments essentiels à considérer dans une analyse de projet de centrale éolienne; et le troisième de vous présenter le modèle RETScreen International pour projets de centrale éolienne.
DIAPOSITIVE 3 : Qu'est-ce que les centrales éoliennes fournissent?
De l'électricité tout simplement. Cette électricité peut servir à alimenter un réseau central ou un réseau isolé, ou encore être utilisé comme alimentation autonome dans un système hors réseau ou pour le pompage de l'eau.
De plus en plus d'éoliennes dans le monde contribuent à l'alimentation de réseaux centraux. On appelle réseau central, un réseau électrique d'envergure, couvrant un large territoire et comprenant aussi bien des centrales électriques, que des lignes de transport et de distribution de l'électricité jusqu'à l'utilisateur final. Par exemple, les éoliennes que l'on voit ici, situées à Palm Springs en Californie, sont raccordées au réseau électrique du continent nord-américain; si bien que l'électricité qu'elles génèrent peut être utilisée par des consommateurs très proches comme très loin de l'endroit physique où se trouvent les éoliennes.
Un réseau isolé est de plus faible envergure qu'un réseau central et il n'y est pas raccordé. Il permet d'approvisionner en électricité de petites communautés éloignées, ou isolées comme dans le cas d'une île. L'énergie éolienne s'avère d'autant plus avantageuse que le prix de revient de l'électricité produite dans de telles communautés
est généralement assez élevé.
Dans d'autres cas, on a besoin d'électricité en des lieux éloignés de tout réseau électrique. Des exemples typiques d'une telle situation sont les relais de télécommunications situés au sommet d'une montagne, les phares en mer ou encore les refuges de montagne ou les chalets isolés. Une éolienne peut être une solution très rentable pour alimenter de tels sites.
L'eau nécessaire aux besoins vitaux d'une population, à l'élevage, ou même à l'irrigation doit souvent être pompée. S'il n'y a pas d'électricité disponible, l'énergie éolienne peut offrir une solution. Des centaines de milliers de pompes à eau mues par un moulin à vent ont été installés à travers l'Amérique du Nord et font partie de l'histoire du développement rural américain. Alors que ces machines, purement mécaniques, ont maintenant disparu ou sont tombées hors d'usage, on utilise à nouveau en certains endroits le vent pour produire l'électricité nécessaire à alimenter les pompes de certains puits isolés.
La première fonction des éoliennes est donc de produire de l'électricité, mais leur utilisation présente d'autres avantages. Selon la disponibilité du vent, il est possible d'installer des éoliennes à tout endroit d'un réseau électrique et en particulier là où il est le plus faible, c'est-à-dire aux endroits les plus éloignés des centrales électriques.
Les grandes éoliennes sont maintenant conçues de manière à améliorer la qualité de l'onde et la stabilité du courant disponible sur un réseau électrique. De plus, en les installant en différents points du réseau, proche des consommateurs, les éoliennes permettent de répondre aux besoins croissants d'électricité sans avoir besoin d'augmenter la capacité des lignes de transport autrement nécessaires pour rentabiliser des centrales électriques construites avec de grandes puissances pour abaisser les coûts de production d'électricité. On peut donc réduire les pertes de transport d'électricité sur de longues distances.
Enfin, le vent étant une ressource disponible gratuitement, la production d'électricité d'origine éolienne peut être planifiée avec des coûts beaucoup plus stables que lorsque l'on dépend de combustibles fossiles.
DIAPOSITIVE 4 : Description d'une éolienne
Nous allons passer en revue les différents éléments constituant une éolienne en commençant par ceux qui sont en contact avec la force du vent, pour passer à ceux qui assurent la production d'électricité, puis finir par les éléments de structures nécessaires à une telle installation.
L'hélice d'une éolienne est constituée de plusieurs pales. Chacune de ces pales se comporte exactement comme une aile dans le vent dont la poussée crée une force perpendiculaire à cette pale (la portance). Les pales sont inclinées de manière à ce que cette force mette l'hélice en rotation. L'axe de l'hélice transfert ensuite la force motrice à une génératrice électrique. Dans les grandes éoliennes, l'hélice tourne entre 15 et 30 tours par minutes, ce qui est une vitesse généralement insuffisante pour la plupart des génératrices qui doivent produire du courant à une fréquence de 50 ou 60 Hz. Il est donc nécessaire d'utiliser une boîte de vitesses qui joue le rôle de multiplicateur.
Dans la plupart des éoliennes comme celle illustrée ici, une nacelle située en haut d'une tour loge la boîte de vitesse et la génératrice électrique. La tour peut être tubulaire, ce qui est de plus en plus courant dans les grandes éoliennes, ou constituée d'une structure en treillis similaire à celles des pylônes électriques. Les éoliennes de petite taille peuvent plus simplement être installées sur un mât haubané. Si on ne veut pas utiliser de haubans, le mât peut être installé sur une structure massive. Une éolienne comprend des systèmes de commande et de sécurité qui permettent de la contrôler dans toutes les conditions météorologiques.
Il y a deux grands types d'éoliennes, celles à axe horizontal et celles à axe vertical. Ces dernières, appelées de type Darrieus d'après leur inventeur, ont la forme d'un batteur à oeufs. Dans cette configuration, les pièces essentielles se trouvent au niveau du sol, ce qui facilite leur entretien. Cependant, ce n'est pas ce type d'éoliennes qui a conquis le marché mais plutôt celui des éoliennes à axe horizontal, où les fabricants danois ont su mettre en valeur leur conception comprenant une hélice à 3 pales située en amont de la nacelle. L'éolienne est orientée face au vent par des moteurs commandés par des anémomètres et une girouette, tous montés sur la nacelle de l'éolienne même.
L'énergie produite par une éolienne est proportionnelle à la surface balayée par son hélice. Indépendamment de la génératrice installée, c'est d'abord la surface balayée par l'hélice qui déterminera la puissance de l'éolienne à une vitesse donnée du vent. Les éoliennes raccordées aux réseaux centraux ces 20 dernières années ont vu leurs dimensions augmenter considérablement. Les hélices des grandes éoliennes dépassent 80 m de diamètre. C'est un peu comme si on épinglait un Boeing 747 par le milieu pour le faire tourner dans un plan vertical! La hauteur des tours a également augmenté et les nacelles des grandes éoliennes sont maintenant installées à des hauteurs variant entre 40 et 70 m.
DIAPOSITIVE 5 : Utilisation de l'énergie éolienne
La large gamme d'applications des éoliennes est reflétée par le grand nombre de modèles de puissances différentes qui sont offerts sur le marché.
Pour les applications hors réseau, les éoliennes sont généralement petites, avec des puissances allant d'aussi peu que 50 W à 10 kW environ. Comme la puissance produite dépend du vent, ces éoliennes sont généralement utilisées pour recharger des accumulateurs qui assurent ensuite les besoins d'électricité indépendamment du vent. Sur cette photo, on voit une éolienne de 10 kW installée au centre de vacances Costa de Cocos au Mexique. De telles éoliennes de faible puissance peuvent aussi être utilisées pour pomper de l'eau.
Ce sont généralement des éoliennes de puissances intermédiaires, entre 10 et 200 kW, qui sont raccordées à des réseaux isolés dont la principale alimentation est généralement assurée par des groupes diesel-électrogènes. Dans ce type d'application, le carburant est généralement plus cher car il faut prévoir des coûts de transport additionnels vers ces communautés isolées parfois difficilement accessibles. L'énergie éolienne produite permet de réduite la consommation de carburant et le taux de pénétration de l'énergie éolienne (le rapport entre la puissance de l'éolienne et la puissance de pointe du réseau) est généralement faible pour que le groupe diesel-électrogène puisse constamment assurer la régulation du réseau et répondre aux variations de la demande électrique. Il est possible d'avoir de plus fort taux de pénétration de l'énergie éolienne, au point d'arrêter le groupe électrogène à certaines périodes. On régule alors la demande électrique du réseau en délestant certaines charges non prioritaires.
Les plus grandes éoliennes sont utilisées pour être raccordées à des réseaux centraux. Les premières éoliennes de ce type avaient des puissances de l'ordre de 200 kW mais maintenant on installe des machines dont la puissance est au moins de 1 MW, voire 2 MW pour des installations offshore (c'est-à-dire en mer). Même si un propriétaire peut posséder et exploiter une seule éolienne, une centrale éolienne est généralement constituée d'un parc comprenant d'une dizaine à plusieurs centaines de machines. Cela permet de répartir les coûts fixes de développement d'une centrale sur une plus grande puissance installée.
DIAPOSITIVE 6 : Étapes d'un projet de centrale éolienne
Il y a plusieurs étapes nécessaires pour pouvoir mener à bien un projet éolien, surtout lorsqu'il est d'envergure. La première étape est très importante : il s'agit d'évaluer la ressource ou le « gisement éolien » c'est-à-dire à quelle fréquence le vent souffle, à quelle vitesse et dans quelle direction. Cette évaluation peut nécessiter l'installation d'une ou plusieurs tours météorologiques ou l'utilisation de modèles informatiques sophistiqués. Ces derniers permettent d'adapter à la topographie particulière du site éolien, les données obtenues des services météorologiques établies pour une région donnée et d'en déduire le potentiel éolien de ce site. Les tours météorologiques, quant à elle, permettent d'avoir une mesure directe de ce potentiel sur le site même, au moyen d'anémomètres et de girouettes placés à différentes hauteurs du sol. Considérant la hauteur des éoliennes actuelles, il est préférable d'effectuer ces mesures à des hauteurs de 40 à 60 m et ce, sur une période allant de 3 mois à 2 ans.
La photo du haut montre la mise en place d'une tour météorologique haubanée de 40 m de haut. Les coûts d'une telle évaluation d'un site ne se justifient que pour des projets d'une certaine envergure.
Une fois qu'un site a été retenu, il faut passer à l'étape d'évaluation environnementale et d'obtention des permis. Viennent ensuite l'obtention du financement et, dans le cas d'un producteur indépendant, la négociation d'un contrat de vente de l'électricité produite. Avant de passer à la construction, le projet doit être planifié, surtout au niveau de la localisation des éoliennes, du génie électrique et du génie civil.
La construction des éoliennes elles-mêmes est généralement assez rapide mais un projet comprend aussi la construction de chemins d'accès, de lignes électriques et de postes de raccordement. La photo du bas montre le poste électrique de raccordement du parc éolien de Altamount Pass en Californie. Ce parc comprend des éoliennes à axes horizontal mais on aperçoit également une éolienne à axe vertical.
Le développement d'un projet de centrale éolienne prend de 2 à 4 ans en moyenne entre le moment où l'on décide d'évaluer le potentiel d'un site, et la mise en route de la centrale.
DIAPOSITIVE 7 : Potentiel éolien
Pour qu'un projet soit rentable, il est essentiel de s'assurer que l'on dispose d'une ressource suffisante. La vitesse moyenne du vent sur un site est un facteur déterminant car l'énergie qui y sera produite varie proportionnellement au cube de cette vitesse. Aussi, une vitesse moyenne annuelle de vent 2 fois plus élevée signifie que l'on produira 8 fois plus d'énergie au cours d'une année. Un site idéal bénéficie de vents assez forts et constants, avec peu de périodes calmes ou de tempêtes qui obligent l'arrêt de la machine.
La vitesse du vent augmente à mesure que l'on s'élève du sol; aussi des données de vitesse de vents ne sont significatives que lorsque l'on donne la hauteur à laquelle elles ont été prises. En général, pour qu'un projet éolien puisse être envisagé, il est nécessaire que la vitesse moyenne annuelle du vent soit supérieure à 4 m/s à 10 m du sol.
Les centrales éoliennes en exploitation ont été bâties sur des sites ayant des vitesses moyennes du vent bien supérieures.
Il est difficile d'évaluer la vitesse moyenne du vent sur un site si l'on ne dispose pas de mesures sur une période suffisamment longue. Lorsque l'on ne dispose pas de telles données, on a tendance à surestimer le potentiel d'un site en oubliant de compter les heures de calme plat.
Certains reliefs peuvent accélérer le vent et des sites sont privilégiés pour réaliser des projets éoliens. C'est le cas des crêtes de montagnes arrondies (c'est-à-dire pas des falaises), des cols entre deux montagnes ou des vallées créant un effet d'entonnoir. Enfin, certaines régions présentant peu d'obstacles au vent sont également favorables, comme les bords de mer et les prairies.
La vitesse du vent varie au cours d'une journée et selon les saisons; elle est généralement plus élevée le jour que la nuit, et en hiver plutôt qu'en été. Aussi, la production d'électricité éolienne coïncide avec les périodes de plus forte demande, du moins dans les pays froids.
La figure que l'on voit ici montre la courbe de puissance d'une éolienne de 1 MW. Cette courbe donne la puissance produite, en kW, en fonction de la vitesse du vent, en m/s. On voit qu'en dessous du seuil de 4 m/s, il n'y a pas d'électricité produite, c'est la vitesse de démarrage de l'éolienne. La puissance augmente ensuite jusqu'à la vitesse de vent de 15 m/s où l'éolienne atteint sa puissance maximale nominale qu'elle maintient jusqu'à la vitesse de vent de 25 m/s au delà de laquelle on stoppe la machine par sécurité.
DIAPOSITIVE 8 : Coûts d'une centrale éolienne
Actuellement un projet éolien revient à environ 1 500 $ canadiens du kW installé. Les frais d'exploitation et d'entretien représentent un montant équivalent à 1 ¢ par kWh produit, si bien que l'électricité produite est généralement vendue entre 4 et 10 ¢ le kWh.
Le graphique présenté ici illustre la répartition des coûts d'un projet éolien. On voit que les éoliennes représentent typiquement 70 % des coûts du projet et que les infrastructures connexes, essentiellement les lignes électriques et le poste de raccordement, représentent un autre 20 %. La phase de développement et de conception du projet ne représente que 10 % des coûts d'un tel projet.
Lorsqu'on installe une seule éolienne ou lorsqu'il s'agit d'un réseau isolé, les coûts seront généralement plus élevés et les coûts relatifs de l'étude de faisabilité, de développement et de conception seront également plus élevés en proportion de la puissance installée.
Enfin, en plus des coûts d'investissement initiaux, et des frais d'exploitation et d'entretien régulier, il faut s'assurer de prévoir un budget permettant de couvrir des réparations importantes. Ainsi, il faut prévoir qu'avant la fin de sa durée de vie utile, au moins un élément important d'une éolienne aura besoin d'être remplacé et que ce remplacement pourra représenter de 20 à 25 % des coûts initiaux de l'éolienne. Les pales et les boîtes d'engrenage sont les éléments les plus sujets à de telles réparations.
DIAPOSITIVE 9 : Enjeux d'un projet de centrale éolienne
Lors du développement d'un projet éolien, plusieurs facteurs doivent être pris en compte. En voici les plus importants :
Tout d'abord, rappelons l'importance de bien connaître le potentiel éolien du site que l'on veut développer : le coût du kWh éolien peut diminuer considérablement même avec une faible augmentation de la vitesse moyenne du vent. C'est pourquoi il est recommandé d'investir dans une bonne évaluation de la ressource en vent, de manière à pouvoir planifier le projet sur des données fiables.
La rentabilité d'un projet éolien peut être améliorée de manière importante si on peut compter sur d'autres revenus que la seule vente d'électricité au taux du marché. Ces autres revenus peuvent provenir des différentes formes de crédits dont peut bénéficier l'électricité d'origine renouvelable ou non polluante auprès des gouvernements ou de compagnies publiques d'électricité; ou encore des crédits pour réduction d'émissions de gaz à effet de serre tels qu'envisagés dans les mécanismes d'échange du Protocole de Kyoto. Cependant, une bonne ressource en vent et des revenus additionnels ne suffisent pas toujours à garantir le succès d'un projet éolien. Les projets les plus prometteurs peuvent échouer tout simplement parce que l'on a sous-estimé les difficultés de faire accepter le projet au plan environnemental, que l'on a pas su aller chercher le soutien de la population locale ou encore pour des problèmes de raccordement au réseau électrique, qui peut par exemple ne pas pouvoir accueillir localement le surplus de puissance qu'y injecterait le projet éolien proposé.
Enfin, les paramètres financiers ont une grande importance dans la rentabilité d'un projet éolien qui demande un important capital investi. Si les taux d'actualisation et d'intérêt sont plus bas un projet deviendra beaucoup plus rentable. Convaincre des partenaires financiers qu'un projet éolien est un investissement à risque raisonnable peut être une lourde tâche. Les taux de change entre devises étrangères auront aussi leur importance si l'on considère que plusieurs pièces mécaniques seront payées en Euro puisqu'elles auront de grandes chances de parvenir d'Europe et du Danemark en particulier.
Cette photo représente une des 133 éoliennes installées dans l'Est du Québec et fait partie du projet Le Nordais, le plus grand parc éolien au Canada.
DIAPOSITIVE 10 : Centrale éolienne en réseau central - Exemples : Europe et États-Unis
La photo de droite montre le parc éolien de Lolland au Danemark. Ce projet de 9,6 MW a été installé sur la bande côtière. Les photos de gauche montre un ancien parc éolien, construit à Palm Springs en Californie.
Bien que la puissance produite par une éolienne varie avec la force du vent, il est relativement facile d'intégrer un parc éolien à un réseau central. Malgré certaines croyances, il n'est pas nécessaire de recourir à des accumulateurs électriques pour absorber les variations de la puissance produite. C'est plutôt le réseau électrique qui, avec son inertie, absorbera la puissance au fur et à mesure qu'elle est offerte.
En effet, les réseaux électriques sont déjà conçus pour s'adapter aux variations imprévisibles de la demande électrique des consommateurs. Un parc éolien peut donc être considéré comme une charge « négative » qui varie dans le temps et le réseau peut la gérer comme telle. De plus, lorsque différents parcs éoliens sont répartis sur un vaste territoire, il y a un effet de moyenne qui diminue les variations en ampleur et en rapidité.
Cependant, il est clair qu'il y a une limite sur la proportion de la puissance éolienne installée par rapport à la capacité d'un réseau central, pour que celui-ci puisse s'adapter à ces variations. Les expériences réalisées au Danemark et dans certaines régions allemandes montrent que l'énergie éolienne peut représenter une proportion aussi élevées que 17 % de l'énergie produite sur un réseau national ou régional, et ce, sans qu'il y ait eu besoin de construire des centrales électriques de pointe pour compenser les périodes sans vent. Cette proportion limite peut varier d'une région à l'autre et il existe certains cas où la trop grande variabilité de l'énergie éolienne est un obstacle à son utilisation dans des conditions économiquement rentables.
Des études montrent que l'énergie éolienne s'intègre particulièrement bien aux réseaux ayant une forte proportion d'hydroélectricité, comme par exemple dans les provinces canadiennes du Québec, du Manitoba et de la Colombie Britannique. Les réservoirs hydroélectriques peuvent répondre aux besoins pendant les périodes de vent calme. En retour, les réserves hydroélectriques sont économisées pendant les périodes venteuses.
L'énergie éolienne n'est pas soumise à la volatilité des prix de l'électricité produite avec des combustibles fossiles. De plus, elle peut être déployée par étapes, de quelques centaines de kilowatt à quelques centaines de megawatt, et chaque projet peut être rapidement mis en place, alors que les centrales électriques classiques doivent être construites avec des niveaux de puissance beaucoup plus importants, et être planifiées plusieurs années à l'avance. C'est encore plus vrai avec des centrales nucléaires. Les risques financiers d'installer de la surcapacité électrique 5 à 10 ans à l'avance sont donc assez élevés en cas de ralentissement de l'activité économique, sans compter les variations de prix des combustibles qui affecteront la rentabilité de telles centrales. Un parc éolien, qui peut être installé en 2 à 4 ans seulement est donc exposé à de moindres risques financiers.
Les parcs éoliens ayant de nombreuses machines totalisant plusieurs centaines de MW de capacité occupent de grands espaces. Cependant, la surface de terrain effectivement occupée par les éoliennes, les chemins d'accès et les lignes électriques ne représentent qu'environ 1 % du site. 99 % de l'espace d'un tel site reste disponible pour d'autres utilisations, par exemple des activités agricoles.
Si les grands parcs éoliens constituent la majeure partie des projets éoliens de raccordement aux réseaux électriques, il est également possible pour des particuliers, des petites entreprises ou des coopératives de posséder et d'exploiter une seule éolienne ou un petit nombre de telles machines. Ainsi, au Danemark, 80 % des éoliennes installées appartiennent à des particuliers ou à des coopératives locales.
À Toronto, en Ontario, au Canada, une coopérative regroupant des individus intéressés au développement des énergies renouvelables, a récemment fait installer une éolienne de 700 kW sur la rive du Lac Ontario.
DIAPOSITIVE 11 : Centrale éolienne en réseau isolé - Exemples : Inde et Canada
De nombreuses communautés insulaires ou éloignées comme au Canada et en Alaska, ou encore de pays en voie de développement ayant peu d'infrastructures, sont trop éloignées d'un réseau central d'électricité pour que leur raccordement soit rentable. On préfère se contenter d'un réseau local alimenté par un groupe diesel électrogène. Le prix de revient du kWh est élevé car le carburant diesel, déjà cher, doit en plus être transporté jusqu'à ces communautés alors que les groupes électrogènes utilisés ne sont pas toujours très performants.
L'installation d'éoliennes permet de réduire la consommation de carburant et abaisse le coût de production de l'électricité dans ces communautés. Les variations de la puissance produite par l'éolienne peuvent être absorbées soit par le groupe électrogène, soit par la gestion de charges électriques non prioritaires, c'est-à-dire délestables sans que les utilisateurs ne soient pénalisés (par ex. des chauffe-eau électriques). Les éoliennes utilisées sur des réseaux isolés doivent être rustiques, c'est-à-dire robustes et fiables et se contenter d'un faible entretien. En effet, il sera généralement difficile de pouvoir compter disposer de matériel et de main d'oeuvre compétente pour assurer, à un coût raisonnable, l'entretien des éoliennes qui auront été installées dans de telles communautés. En revanche, l'exploitant du réseau local devra avoir reçu la formation nécessaire à établir une bonne surveillance de l'éolienne et à en assurer l'entretien courant. Sinon, même les éoliennes les plus rustiques finiront par faire défaut.
Les 2 photos montrent des éoliennes de 50 kW chacune. À gauche, on voit le montage d'une machine faisant partie d'un petit parc éolien alimentant le réseau de l'île de Sagar dans le Bengale occidental, en Inde.
À droite, on voit une éolienne qui a été installée dans une communauté très éloignée du Grand Nord canadien, celle de Rankin Inlet au Nunavut.
DIAPOSITIVE 12 : Centrale éolienne hors réseau - Exemples : États-Unis, Brésil et Chili
Il existe de nombreux besoins en petites quantités d'électricité, en des endroits éloignés
de tout réseau électrique; par exemple, pour l'alimentation de petits villages éloignés, de centres de villégiature, de chalets ou de refuges isolés, de pompes à eau, ou encore pour des usages spécialisés en télésurveillance ou dans le secteur des télécommunications. Lorsque ces besoins doivent être assurés dans des régions venteuses, l'installation d'une éolienne peut être beaucoup plus avantageuse que de prolonger le réseau électrique jusqu'à cet endroit isolé, ou encore que d'utiliser un groupe électrogène comme source unique d'électricité.
Comme le vent ne souffle pas toujours, on utilise des accumulateurs électriques ou un réservoir d'eau en hauteur (dans le cas du pompage de l'eau) pour combler les besoins par temps calme. Stocker de l'électricité est plus complexe que de stocker de l'eau et on a recours à des accumulateurs à décharge profonde de type acide/plomb ou cadmium/nickel. Ces accumulateurs nécessitent un entretien plus suivi et des remplacements périodiques, surtout dans le cas des accumulateurs acide/plomb.
Une éolienne peut aussi être utilisée en conjonction à un groupe électrogène et former ce que l'on appelle un système hybride comprenant des accumulateurs utilisés pour un stockage à court terme, un groupe électrogène utilisé pendant les périodes sans vent qui se prolongent ou assurer des besoins électriques de pointe, une éolienne et parfois un système photovoltaïque. Les systèmes hybrides ont de nombreux avantages. D'abord, ils combinent des sources complémentaires d'énergie. L'énergie éolienne ou photovoltaïque nécessite des investissements élevés mais réduisent les frais d'exploitation alors qu'un groupe électrogène est peu cher à l'acquisition mais utilise du carburant coûteux. Dans un système hybride, on a donc la possibilité de trouver un compromis optimal entre coûts d'investissement et frais d'exploitation. De plus, un système hybride augmente la fiabilité d'approvisionnement électrique en combinant des sources d'énergie qui prennent le relais l'une de l'autre lorsque l'une d'entre elles vient à manquer. C'est encore plus vrai lorsqu'on combine un système photovoltaïque à une éolienne et à un groupe électrogène.
Cependant, la conception, l'installation, la mise en route et le contrôle d'un système hybride sont plus délicats, de même que leur exploitation et leur entretien.
C'est pourquoi les systèmes hybrides sont souvent réservés à des systèmes hors réseaux conçus pour répondre à des charges plus élevées ou à des applications professionnelles spécialisées comme des relais de télécommunications.
Nous voyons sur la photo de gauche une éolienne de 400 W utilisée pour alimenter un système de télécommunications en Arizona, aux États-Unis. Au centre, il s'agit d'un système hybride qui alimente un village hors réseau, sur l'île de Marajo au Nord du Brésil. Ce système combine 50 kW de puissance installée en photovoltaïque et en éolienne et comprend une batterie d'accumulateurs. La photo de droite montre une éolienne de 1 kW utilisée pour recharger les accumulateurs d'une école rurale à la Villa Tehuelche à Punto Arenas au Chili.
DIAPOSITIVE 13 : Modèle RETScreen pour les projets de centrale éolienne
Le modèle RETScreen est simple et très utile pour réaliser une évaluation préliminaire de la faisabilité technique et financière d'un projet éolien, et ce, n'importe où dans le monde. Cet outil permet d'obtenir la production annuelle d'électricité, les coûts globaux sur la durée de vie du projet et la réduction des émissions de gaz à effet de serre qu'il procure. Cette analyse concerne aussi bien des centrales éoliennes raccordées à un réseau central, que des centrales d'éoliennes raccordées à un réseau isolé, aussi bien des éoliennes seules que des parcs éoliens, Pour l'instant, le raccordement à une alimentation électrique autonome avec accumulateurs électriques ne fait pas partie du modèle RETScreen.
Pour utiliser le modèle, on a besoin d'informations sur la vitesse du vent et sa distribution au cours d'une année. Si l'utilisateur n'a pas ce type d'information, il n'a qu'à donner la vitesse moyenne annuelle de vent et le modèle utilise un profil typique de distribution des vitesses, la distribution de Rayleigh. Si l'utilisateur a une meilleure idée du profil de distribution des vitesses, il peut entrer dans le modèle un paramètre d'ajustement d'un autre type de distribution des vitesses : la distribution de Weibull. Enfin, l'utilisateur a la possibilité d'entrer directement des valeurs de production énergétique annuelle à partir de la courbe de puissance de l'éolienne retenue, s'il connaît exactement les valeurs de la courbe de distribution annuelle des vitesses correspondant au site étudié. L'utilisateur n'est donc pas limité à un modèle de distribution typique des vitesses de vents. Cependant, s'il estime qu'un tel modèle est suffisant pour une étude de faisabilité, il peut se contenter de connaître uniquement la vitesse moyenne annuelle du vent du site étudié.
DIAPOSITIVE 14 : Calculs RETScreen : centrale éolienne
Comme on l'a mentionné précédemment, l'utilisateur peut se contenter de ne fournir à RETScreen que la seule valeur de la vitesse moyenne annuelle du vent. Il doit ensuite spécifier le type de distribution des vitesses qui correspond le mieux au site, ce qui détermine le profil de la courbe de fréquence des vitesses du vent au cours d'une année, autour de la valeur moyenne annuelle de la vitesse de vent qui a été spécifiée. Cette courbe de fréquence des vitesses du vent est à la base du calcul de la production annuelle d'énergie éolienne dans le modèle énergétique du logiciel RETScreen.
En combinant la courbe de fréquence des vitesses du vent, à la courbe de puissance caractéristique de l'éolienne, on obtient la courbe de fréquence des puissances générées par l'éolienne au cours d'une année qui, après intégration, donne la quantité annuelle d'énergie produite. La courbe de puissance caractéristique de l'éolienne peut être obtenue directement à partir de la base de données de produits de RETScreen.
Pour un même profil de distribution des vitesses, en faisant varier la vitesse moyenne annuelle du vent, on peut générer une courbe donnant la production annuelle d'énergie de l'éolienne en fonction de la vitesse moyenne annuelle du vent.
À cette étape du calcul, la valeur de l'énergie produite annuellement est une valeur non corrigée. Une première correction concerne la densité de l'air qui dépend de la
température et de la pression atmosphérique et les valeurs nécessaires à cette correction font partie de la base de données météorologiques intégrée à RETScreen. On obtient alors une valeur brute de l'énergie produite annuellement. Une deuxième correction s'applique et concerne les pertes de rendement des éoliennes dues à l'effet de sillage d'autres éoliennes dans un parc éolien, à l'encrassement ou à la formation de givre sur les pales et aux arrêts de la machine pour son entretien ou des réparations. On obtient alors la quantité d'énergie qui peut être produite par le système en un an.
RETScreen compare alors l'énergie éolienne produite à l'énergie qui peut être absorbée par le réseau électrique dans le cas d'un réseau isolé. L'énergie éolienne qui excède la demande d'électricité sur le réseau n'est pas utile et par conséquent, la quantité d'énergie renouvelable qui sera effectivement fournie au réseau sera plus faible que la quantité d'énergie éolienne qui aurait pu être produite. Dans le cas d'un réseau central, on considère que l'énergie renouvelable fournie au réseau est égale à l'énergie éolienne qui peut être produite.
Le modèle RETScreen fournit d'autres valeurs qui découlent de l'énergie produite annuellement, telles que le rendement spécifique et le facteur de puissance de la centrale éolienne ou encore l'excès d'énergie renouvelable qui pourrait être exploité.
DIAPOSITIVE 15 : Exemple : validation du modèle RETScreen pour les projets de centrale éolienne
Le modèle RETScreen a été validé de plusieurs façons. Par exemple, on l'a comparé au modèle de simulation horaire HOMER du National Renewable Energy Laboratory, appliqué au cas de la centrale de 10 éoliennes de 50 kW du réseau isolé de Kotzebue, en Alaska. RETScreen et HOMER arrivent à la même valeur de l'énergie produite annuellement, et ce à 1,1 % près.
On a ensuite comparé les résultats de RETScreen aux données réellement mesurées dans le projet. Pour la période de 1998 à 2000, RETScreen a sous-estimé l'énergie produite de 8 à 10 % seulement par rapport à l'énergie qui a été réellement produite. Il s'agit d'un niveau de précision suffisamment acceptable pour une analyse préliminaire de faisabilité.
DIAPOSITIVE 16 : Conclusions
Les éoliennes sont une technologie fiable et éprouvée permettant de fournir, en tout endroit du monde, de l'électricité hors réseau ou pour alimenter un réseau électrique.
Comme la puissance produite par une éolienne varie comme le cube de la vitesse du vent, le paramètre ayant le plus d'influence sur la rentabilité d'un projet est la vitesse moyenne annuelle du vent.
Les crédits pour production d'énergie renouvelable ou non polluante ou autres primes accordées par les services publics ou les gouvernements améliorent la rentabilité financière des projets de développement éolien raccordés au réseau.
Nous voyons sur la photo de gauche une éolienne de 400 W utilisée pour alimenter un système de télécommunications en Arizona, aux États-Unis. Au centre, il s'agit d'un système hybride qui alimente un village hors réseau, sur l'île de Marajo au Nord du Brésil. Ce système combine 50 kW de puissance installée en photovoltaïque et en éolienne et comprend une batterie d'accumulateurs. La photo de droite montre une éolienne de 1 kW utilisée pour recharger les accumulateurs d'une école rurale à la Villa Tehuelche à Punto Arenas au Chili.
DIAPOSITIVE 17 : Questions?
Voici la fin du module de formation Analyse de projets de centrale éolienne du cours d'analyse de projets d'énergies propres de RETScreen International.
