Rendement d’éoliennes en interaction

Contexte

Le développement des énergies renouvelables est un enjeu majeur pour décarboner notre société et nos modes de vie. Parmi ces modes de production, l’exploitation de la force du vent fait bonne figure : les éoliennes sont en fort développement et assure une part croissante du mix électrique français et mondial. A l’échelle nationale par exemple, alors que le production annuelle d’électricité fluctue entre 500 et 550 TWh depuis le début des années 2000, la part de l’éolien a considérablement augmentée, passant de quasi-nulle en 2000 à 50.8 TWh en 2023, soit près de 10% (source : RTE-France)

Cette production est, en 2023, réalisé en quasi-totalité par l’éolien terrestre (49TWh). Il présente cependant quelques limitations, en termes de puissance (rarement au-delà de 3 à 4MW), de durée de production (lié à l’intermittence et à la vitesse du vent), ou encore d’acceptation sociétale.

L’éolien en mer apporte une réponse à ces limitations : des éoliennes plus grandes et donc plus puissantes (jusqu’à 18 MW), des espaces disponibles plus importants permettant le déploiement de parcs étendus, mais aussi des vents plus puissants et plus réguliers. Ainsi, le facteur de charge – défini comme le rapport entre l’énergie effectivement produite sur l’énergie qu’aurait produite l’éolienne si elle avait fonctionné à pleine puissance sur la totalité de l’année – est plus important en mer : 24% onshore, contre 38% offshore (Source : Wind Europe – Wind energy in Europe in 2019 – p.18)

Objectif

Le développement des parcs offshore génère de nombreux challenges d’ingénierie. Parmi ceux-ci, on compte notamment la question de l’interaction entre éoliennes, que l’on pourrait résumer ainsi : en fonction de la direction, de la vitesse et de la classe atmosphérique du vent ainsi que du type d’éolienne (taille, pales…), quel est l’effet de la distance entre les éoliennes sur leurs rendements respectifs ?

Cette problématique pouvant à elle seule justifier d’une ou plusieurs thèses, le sujet a été restreint dans le cadre de la présente étude, qui a porté ici spécifiquement sur 2 éoliennes en tandem (direction du vent parallèle au vecteur reliant les deux mâts) et en classe atmosphérique stable.

Simulation et résultats

En couplant les phénomènes de mécanique des fluides, des transferts thermiques et des cinétiques chimiques, les méthodes numériques permettent d’évaluer avec précision le rendement aérodynamique des éoliennes et de tout système de production d’énergie.
Elles sont aujourd’hui un maillon essentiel aux programmes de développement des énergies nouvelles cat elles permettent l’optimisation de ces systèmes complexes.

Voici un exemple vidéo de modélisation CFD présentant l’impact d’interactions sur le rendement des éoliennes. Pour cette étude, la vitesse de rotation de chaque éolienne est calculée par un bilan d’efforts, intégrant l’effort moteur du vent et le couple résistif de l’alternateur. On observe ici que l’éolienne située en aval tourne légèrement moins vite que celle en amont. Ceci s’explique par la modification du champ de vent incident sur l’éolienne aval par l’éolienne amont, et se traduit donc par une perte de rendement. Couplé à une bonne connaissance du potentiel éolien d’un site, ces simulations peuvent mener à une optimisation de l’implantation des éoliennes pour maximiser la production électrique.