Quel est le rendement d’une éolienne ?

Pour calculer le rendement d’une éolienne, il faut d’abord s’intéresser à la puissance.

En général, quand on s’intéresse à la puissance, on pense à la puissance nominale de l’éolienne, à savoir, l'énergie que peut produire l’équipement par unité de temps (en heures, par exemple) dans des conditions optimales de fonctionnement. Elle s’exprime en watts, en kilowatts ou en mégawatts (1 mégawatt = 1000 kilowatts)

Mais, il faut savoir qu’en pratique, la puissance d’une éolienne va différer selon le type d’éolienne et selon le vent. En effet, l’un des plus gros inconvénients de l’énergie éolienne est qu’elle est intermittente car elle est dépendante de la vitesse du vent. 

Le rendement, de son côté, correspond au rapport entre énergie énergie reçue et énergie produite. Il s’exprime en pourcentage. Plus il se rapproche de 100%, meilleur est le rendement. 

Selon les lois de la thermodynamique, un rendement supérieur à 100% est impossible pour une éolienne. En effet, toute production d’énergie implique des pertes (frottements, création de chaleur sur les fils électriques, etc.). 

Une éolienne peut être installée sur la terre (on parle d’éolienne terrestre), ou dans la mer (on parle d’éolienne hydraulique ou offshore). Il existe 3 types d’éolienne :

• Éolienne horizontale : la plus répandue, les hélices tournent autour d’un axe horizontal
• Éolienne verticale : moins connue, les pâles tournent autour d’un axe vertical
• Éolienne domestique : il s’agit de mini-éolienne pour particulier

Dans tous les cas, il est possible de calculer sa puissance, et se rendre compte de son rendement effectif. 

La production d’une éolienne

La production d’électricité d’une éolienne est fortement variable au cours du temps, en fonction de la puissance du vent. En effet, une éolienne est capable d’atteindre sa puissance maximale (appelée aussi puissance nominale) si les vitesses du vent sont optimales. 

Si la vitesse est trop lente, le vent ne va pas pouvoir faire tourner les pales assez vite. Si la vitesse est au contraire trop rapide, le vent va entraîner les pales trop vite. Il faudra dans ce cas intervenir pour réduire la vitesse de rotation et ainsi éviter des perturbations aérodynamiques qui risqueraient d’endommager les pales.

et son rendement en nombre de kilowatts fournis par l’éolienne sur une heure particulière (kWh).

Le calcul de la puissance d’une éolienne

La puissance d’entrée du vent peut se calculer avec cette formule :

1/2 x Rho x S x V³

• Rho étant la masse volumique de l’air,
• S la surface du cercle de rayon égal à la longueur d’une pâle, et
• V la vitesse du vent en mètre par seconde

Prenons un exemple : 

• Rho = 1,2 kg/m3. Cette masse volumique de 1,2 kg/m3, atteignable au niveau de la mer avec une température extérieure de 20 °C et une pression de 1013 hPA ; 
• S =  6358. Pour calculer la surface d’un cercle on utilise la formule π x r². Avec une éolienne d’une pale de 45 mètres de long, cela donne π x 452 = 6358 m2
• V = 20 mètres par seconde, ce qui correspond à une vitesse de 72 km/h. 

½ x 1,2 x 6358 x 203 = 30518400 watts soit environ 30,5 mégawatts 

Dans notre exemple, la puissance est portée à 30,5 MW. 

Plusieurs éléments viennent déterminer la puissance de sortie d'une éolienne :

• La vitesse du vent : une éolienne a besoin d’un vent minimum pour que les pales se mettent à tourner, et elle s’arrêtera si les vents dépassent 90 km/h
• La zone d’implantation : les éoliennes, et notamment lorsqu’il s’agit de parc éolien, vont se situer dans des régions venteuses 
• Les tailles de l’éolienne et la hauteur des mâts
• Le diamètre du rotor : il correspond au double du rayon formé par les pales
• La masse volumique de l'air : elle varie selon la température, la pression et l'humidité de l’air
•  Le nombre de pales : trois (le plus souvent) ou deux
• L’inclinaison des pales : horizontale ou verticale
• Le rendement mécanique de la turbine éolienne vers l'axe des aérogénérateurs : il s’agit de la performance qui permet de transformer l’énergie cinétique du vent en énergie mécanique
• Le rendement électrique des aérogénérateurs : ou performance qui permet de transformer l’énergie mécanique en électricité 
• La limite de Betz : si le vent sort à la même vitesse que celle à laquelle il rentre pour faire tourner les hélices, la puissance collectée est nulle. 
• L’effet joule, les pertes liées à la formation de chaleur sur les fils conducteur de l’électricité. 

En général, cette puissance est mesurée avec des outils comme un wattmètre par exemple. 

Le rendement correspond au rapport de l'énergie utilisable produite par une machine par rapport à l'énergie qui lui a été fournie. Le rendement d’une éolienne correspond donc à la quantité d’énergie qu’elle va effectivement produire et qui est consommable.

Les meilleurs rendements tournent autour de 65 %. Cependant, certaines éoliennes n’arrivent qu’à atteindre un rendement compris entre 30 et 50%, à cause de pertes mécaniques de la conversion d'énergie du rotor vers la génératrice, ou de pertes électriques de l’aérogénérateur.

Rendement d’une énergie horizontale

 La taille de l’éolienne horizontale va beaucoup influencer sa puissance : 

• Les plus petites vont produire à peu près 100 kilowatts par an ;
• Les plus grandes peuvent produire jusqu’à 7,5 mégawatts par an (soit 7 500 kilowatts) ;

Le rendement d’une énergie verticale 

L’éolienne verticale se présente sous différents modèles :

• L’éolienne Darrieus : idéale pour les zones en bord de mer ou les plateaux très venteux car elle résiste bien aux vents violents
• L’éolienne Savonius : à l’instar du modèle précédent, cette éolienne est capable de fonctionner même avec des vents très faibles
• L’éolienne à voilures tournantes : elle offre le plus haut rendement par rapport aux autres modèles car ses pales s’adaptent et s’orientent selon le sens du vent

Même si ces modèles vont atteindre des puissances très différentes, elles n’excèdent rarement 1 mégawatt par an.

Rendement d’une énergie domestique

Une mini-éolienne à usage domestique peut être verticale ou horizontale. Sa puissance minimale est de 100 watts(soit 0,1 kilowatt), et sa puissance maximale de 20 kilowatts.

Ainsi, si sa puissance est de 5 kilowatts, sa production annuelle sera comprise entre 5 000 et 20 000 kWh.