Documents réponses
L’objectif de cette partie est d’analyser les conditions d’implantation d’un parc éolien.
Compétences et savoirs évalués :
Enjeux environnementaux et énergétiques
Question 1.1 - En vous aidant de la mise en situation, des diagrammes Sysml et du DT1, citer au moins deux facteurs qui justifient l’essor de l’industrie éolienne.
Gisements éoliens
La société WindPicardie prospecte en vue d’augmenter sa capacité de production, elle est en quête du lieu optimal pour implanter son prochain parc éolien.
Question 1.2 - A l'aide du DT2 et DT3, désigner, en justifiant votre réponse, les lieux d’implantation les plus intéressants. Justifier également l’intérêt de l’implantation de champs éoliens dans les zones peu ventées.
Étude de la localisation d’un projet de parc éolien
La région des Hauts-de-France dispose de gisements éoliens très importants ; trois sites ont été retenus dans le cadre de l’avant-projet d’un parc de dix éoliennes, du fait de terrains disponibles.
Le choix final du site dépend, entre autres, des contraintes patrimoniales et techniques.
Question 1.3 - En se référant à la carte du ci-dessous, compléter à l’aide de croix le tableau du DR1 associant les contraintes aux différents projets puis justifier à quelle(s) condition(s) l’un des projets peut être retenu.
Étude de l’implantation des éoliennes dans le parc
Le site a été choisi et validé par les autorités. Le chargé d’exploitation doit maintenant implanter les dix aérogénérateurs d’une puissance nominale de 2 MW sur les parcelles choisies. Le raccordement des éoliennes entre-elles se fait par des câbles en cuivre de forte section dont le coût est très important.
Simulation de vitesse de vents et de turbulences d’un parc éolien
Le terme « turbulence » désigne la perturbation de la vitesse des vents.
Question 1.4 - Expliquer le problème rencontré lorsque les aérogénérateurs sont alignés par rapport au vent. Sur le DR2, barrer la flèche représentant la direction la plus mauvaise du vent dominant par rapport à l’implantation et entourer la flèche représentant la direction optimale du vent dominant par rapport à l’implantation du parc éolien (réduire au minimum l’alignement d’éoliennes).
Question 1.5 - En tenant compte du schéma d’implantation ci-dessous, calculer le coût minimal et maximal de raccordement des éoliennes, sachant que le coût du câble est de 100 000 € au km.
Schéma d’implantation des aérogénérateurs dans le parc éolien
Conclusions sur l’implantation des éoliennes dans le parc
Question 1.6 - Afin de diminuer le coût du raccordement, on envisage de rapprocher les éoliennes en dessous de 500 mètres dans la direction L2 et en dessous de 300 mètres dans la direction L1. Cette configuration conduit à opérer un compromis entre le coût de raccordement et l’évolution de la vitesse du vent entre éoliennes. À l’aide de l’étude ci-dessus, décrire le compromis et justifier ce choix des distances minimales d’installation opéré par l’installateur. (Vous vous aiderez de la Simulation de vitesse de vents et de turbulences d’un parc éolien ci-dessus.)
Compétences et savoirs évalués :
Choix du modèle d’aérogénérateur en fonction de la vitesse moyenne (Vmoy) des vents
Le projet choisi par WindPicardie est le projet 2 ; il est installé en rase campagne, là où seuls quelques obstacles au vent sont présents. Le mât des éoliennes a une hauteur de 95 mètres.
Détermination de Vmoy à h = 40 et 95 m dans le secteur du parc
Un schéma régional éolien terrestre est réalisé afin de développer cette énergie renouvelable et dimensionner les éoliennes terrestres (aérogénérateurs).
Question 2.1 - À partir de la carte ci-dessous et du DT4, compléter le tableau DR3 en y indiquant les plages de vitesse des vents à 40 m et à 95 m sur le site.
Carte des moyennes annuelles de vents dans le département de la Somme (Ademe)
Ce document représente la carte de la vitesse moyenne des vents à 40 m de hauteur. À partir de cette carte, le potentiel éolien peut être calculé.
Détermination du modèle d’aérogénérateur
WindPicardie possède d’autres parcs éoliens et souhaite optimiser la maintenance de ses machines et la formation de ses employés. C’est pourquoi elle se tourne vers le fabricant qui équipe la majorité de ses parcs pour choisir ses nouveaux aérogénérateurs. L’essentiel des aérogénérateurs gérés par la société possèdent une puissance nominale de 2 MW.
Pour choisir un modèle de la gamme, il est nécessaire de déterminer la classe de vents.
Question 2.2 - À l’aide du DT5 et des valeurs définies à la Question 2.1, déterminer en la justifiant, la classe de vents à laquelle les aérogénérateurs du site doivent appartenir. En déduire, à partir du tableau ci-dessous, s’il existe dans la gamme du fabricant des modèles adaptés pour le futur parc et donner leurs références le cas échéant.
Gamme d’aérogénérateurs par classe de vent IEC
Le modèle retenu par l’exploitant a un diamètre de 90 mètres.
Vérification de la stabilité de la structure
La résistance du sol ne doit pas être dépassée. Les caractéristiques du sol sous la fondation de l’éolienne sont les suivantes : sol cohérent, moyennement consistant et craie tendre.
Il s’agit maintenant de vérifier la stabilité de la structure au regard des effets de poinçonnage (enfoncement dans le sol) et de déversement (basculement de l’éolienne).
Étude de la stabilité de l’éolienne au regard de l’effet de poinçonnage
Question 2.3 - A l'aide du diagramme de définition de bloc, déterminer la masse de l’ensemble {nacelle, mât, pales}. Déterminer le volume des fondations, en calculer la masse en y ajoutant celle due à la surcharge de ferraillage.
Question 2.4 - Calculer le poids total de l’aérogénérateur. On prendra g = 10 m.s-².
Question 2.5 - Déterminer et noter sur copie, le type de sollicitation que va générer l’aérogénérateur sur le sol. Calculer la pression p1 (N.m-2) s’exerçant sur le sol et tracer, sans échelle sur DR4, le profil de pression qui va s’y appliquer.
Étude de la stabilité de l’éolienne au regard de l’effet de déversement
Les efforts aérodynamiques du vent sur les pales créent sur la nacelle un effort horizontal Frotor = 250 kN. La résultante s’applique à une hauteur h1 = 97 m. Il y a également un effort horizontal sur le mât de l’éolienne Fmât = 30 kN, dont la résultante des efforts sur le mât s’applique à une hauteur h2 = 65 m.
Question 2.6 - Le résultat de simulation ci-dessous représente la répartition des pressions sous la fondation dans les conditions de chargement fixées ci-dessus. Déterminer la valeur maximale de pression p2. Entourer sur le DR4 le profil correspondant à cette simulation.
Conclusion sur la stabilité de la structure
Question 2.7 - Les sollicitations de poinçonnage et de déversement se superposant, en déduire la valeur de la pression maximale pmax qui s’exerce sur le sol.
Question 2.8 - La résistance du sol est comprise entre 0,2 et 0,4 MPa. Sachant que le bureau d’étude de WindPicardie a estimé qu’un coefficient de sécurité de 1,5 minimum est nécessaire, vérifier que le cahier des charges sur cette contrainte de non enfoncement est respecté.