Électricité embarquée issue de l'éolien: Quand un éolien est-il rentable ?

Tout navigateur sait que l'énergie éolienne peut être exploitée efficacement. À terre aussi, elle compte désormais parmi les principales sources d'énergie renouvelables : en Allemagne, environ un tiers de l'électricité provient aujourd'hui de l'éolien, soit plus que du photovoltaïque, du charbon ou du gaz. Elle est durable et fonctionne également la nuit ainsi que par temps couvert, à condition qu’il y ait suffisamment de vent. Sur les yachts, les sources d’énergie renouvelables sont synonymes d’autonomie : on reste plus longtemps indépendant des branchements électriques à quai et des carburants, que l’on ne peut stocker qu’en quantités limitées à bord. Pour cela, trois solutions s’imposent principalement : panneaux solaires, les générateurs remorqués ou les éoliennes. Les comparaisons directes de puissance ne sont toutefois pas très pertinentes, car ces sources d'énergie répondent à des besoins différents et sont donc souvent combinées.

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Les panneaux solaires sont particulièrement rentables pendant la saison estivale, car ils permettent de prolonger les périodes d'ancrage. En effet, leur rendement dépend fortement de l'intensité du rayonnement solaire, qui varie en fonction de la saison et de la latitude. Les générateurs remorqués s'adressent quant à eux principalement aux navigateurs au long cours, car la production d'électricité ne fonctionne qu'en navigation. Ils ne sont d'ailleurs rentables qu'à la voile, car lors des trajets au moteur, c'est l'alternateur qui assure cette fonction.

Les éoliennes fonctionnent aussi bien en navigation qu’au mouillage – et ce, même la nuit ou par temps couvert. Elles constituent ainsi un complément idéal aux panneaux solaires, d’autant plus que ces derniers nécessitent, pour un rendement élevé, une surface assez grande et si possible à l’abri de l’ombre, ce qui est rare sur les voiliers. Un générateur éolien, en revanche, ne prend que peu de place et peut ainsi combler les lacunes en matière d’approvisionnement.

De nombreuses analogies avec la voile

Les éoliennes n’ont besoin que d’air en mouvement. Comme en voile, la puissance est proportionnelle à la vitesse du vent – au cube. Cela signifie que si la vitesse du vent double, la puissance est théoriquement multipliée par huit. Cela semble prometteur, mais cela vaut également dans l’autre sens : si la vitesse du vent est divisée par deux, on ne peut s’attendre qu’à un huitième de la puissance.

En mer, comme en voile, c’est la vitesse apparente du vent qui est déterminante. Sur un cap au près, l’éolienne en tire profit ; sur un cap au vent arrière, la puissance éolienne exploitable diminue. À cela s’ajoute la hauteur d’exploitation, car le vent est freiné près du sol. La force du vent indiquée par un anémomètre monté en tête de mât ne correspond donc pas nécessairement à la force qui s’exerce sur l’éolienne installée plus bas. Il est toutefois impossible d’installer ce dernier au sommet du mât pour diverses raisons : encombrement, poids au sommet, accès difficile, sollicitations dues au gîte et au lacet.

Une autre analogie avec la voile concerne le rapport entre la surface et la puissance : un diamètre de rotor plus grand signifie un rendement plus élevé. Cependant, le nombre et la forme des pales jouent également un rôle. Certains modèles offrent donc des puissances supérieures à celles de générateurs plus grands, malgré un diamètre légèrement inférieur. Sur les voiliers de croisière courants, le diamètre est toutefois soumis à des limites strictes. En effet, le rotor doit fonctionner à une hauteur suffisante au-dessus de la tête de l’équipage pour garantir la sécurité. Les mâts de montage habituellement utilisés sur les voiliers ont généralement une hauteur d’environ trois mètres. À cela s’ajoute le poids considérable des générateurs de plus grande taille.

Performance et rendement

Pour les voiliers de croisière d'environ 35 à 50 pieds, ce sont aujourd'hui les éoliennes d'une puissance comprise entre 350 et 450 watts qui dominent l'offre. Selon leur modèle, elles pèsent généralement entre 6 et 15 kilogrammes. Le diamètre du rotor varie entre 1,10 et 1,50 mètre. On trouve désormais rarement sur le marché des installations plus petites, ce qui s'explique sans doute par l'augmentation des capacités des batteries.

La plage de 350 à 450 watts correspond à la puissance nominale. Celle-ci nécessite des vitesses de vent suffisamment élevées. À titre d’exemple : l’éolienne Superwind SW 350-II n’atteint sa puissance nominale de 350 watts qu’à partir d’une vitesse de vent d’environ 24 nœuds. Le Silentwind 400+ nécessite quant à lui une vitesse de vent d’environ 28 nœuds pour atteindre sa puissance nominale de 420 watts. Dans les deux cas, il faut donc des conditions de vent fort. Cette vitesse de vent nominale figure dans les caractéristiques techniques du produit.

Avec une brise modérée de 12 nœuds, les deux modèles ne fournissent qu’environ 40 à 50 watts. Ces valeurs peuvent être consultées sur la courbe de puissance correspondante, disponible pour de nombreuses éoliennes sur les sites Internet des fabricants. Elle constitue une bonne base pour une estimation fiable du rendement. Certains fournisseurs proposent en outre des graphiques représentant le rendement mensuel ou annuel prévisible en fonction de la vitesse moyenne du vent dans la zone d’installation. Outre les conditions de vent, le rendement réel dépend toutefois d’autres caractéristiques propres à chaque appareil, telles que, entre autres, le comportement au démarrage par vent faible, la forme de la courbe de puissance ainsi que la stratégie de régulation en cas de vent fort et de tempête.

Vitesse de démarrage et régulation

Tout comme un voilier ne prend de la vitesse qu'à partir d'une certaine pression du vent, un générateur éolien ne commence à fonctionner qu'à partir d'une certaine vitesse de vent. Sur la plupart des modèles de cette classe de puissance, la vitesse de démarrage se situe entre environ 2,00 et 3,50 mètres par seconde. La production d’électricité commence, selon le modèle, à une vitesse de vent comprise entre environ 4 et 7 nœuds – il s’agit de la vitesse de démarrage, également appelée « cut-in speed ». Le vent ne doit toutefois pas être trop fort, sous peine de provoquer ce que l’on appelle une « overspeed ». Il s’agit du dépassement de la vitesse de rotation de sécurité, ce qui peut entraîner une surcharge de l’installation et présenter un danger. En effet, une éolienne comporte de nombreux composants mobiles qui, à des vitesses de rotation élevées, sont soumis à d’énormes forces centrifuges.

Pour éviter une « overspeed », la vitesse de rotation doit être réduite à partir d’une certaine vitesse de vent, ou l’éolienne doit être arrêtée. Il existe plusieurs moyens d’y parvenir. Le plus simple consiste à tourner manuellement le rotor hors du vent et à l’immobiliser à l’aide d’une élingue. Cette méthode n’est toutefois pas recommandée compte tenu des dangers qu’elle présente pour l’appareil et l’opérateur. Il est préférable de recourir à une réduction électronique de la vitesse de rotation. Dans ce cas, le régulateur met l’éolienne en court-circuit à partir d’une certaine vitesse de rotation, ce qui freine électriquement le rotor. Avantage : l’arrêt s’effectue automatiquement sans intervention de l’équipe. La plupart du temps, le rotor continue certes de tourner, mais nettement plus lentement – le flux d’air modifié renforce l’effet de freinage. Inconvénient : le rendement énergétique chute rapidement à partir d’une certaine vitesse de vent. De plus, le système dépend du bon fonctionnement des composants électroniques.

Le réglage des pales du rotor, en revanche, fonctionne de manière purement mécanique : certains générateurs haut de gamme modifient automatiquement l’angle d’attaque des pales par rapport au vent lorsque la vitesse du vent est élevée. La vitesse de rotation reste ainsi dans des limites acceptables, tandis que le générateur peut continuer à produire de l’électricité. Dans ce cas, la courbe de puissance ne chute pas en cas de tempête, mais reste constante.

Charge régulée

En tant qu’autre élément central de toute installation, le régulateur de charge remplit ainsi souvent plusieurs fonctions à la fois : il protège les batteries contre la surcharge, compense les fluctuations de puissance parfois importantes en cas de rafales de vent et contribue à empêcher le rotor de tourner à vide lorsque la vitesse du vent est très élevée.

De plus, le régulateur de charge doit pouvoir évacuer l’énergie excédentaire vers une résistance de charge si l’éolienne fournit plus de courant que les batteries ne peuvent en absorber. C’est également une condition préalable à une régulation électronique sûre de la vitesse de rotation. Attention : ces résistances de charge peuvent devenir très chaudes et doivent être installées dans un endroit bien ventilé, loin de tout matériau inflammable !

Le régulateur de charge, l’éolienne et le type de batterie doivent être adaptés les uns aux autres. Les sections des câbles doivent également être suffisamment dimensionnées pour supporter en toute sécurité les courants attendus. Les éoliennes pour yachts sont disponibles pour des tensions de service de 12, 24 et 48 volts. Dans un système de 12 volts, le courant nominal d’une éolienne de 400 watts peut tout de même dépasser 30 ampères.

Qualités souhaitables

En résumé, une éolienne optimale doit donc couvrir une plage de fonctionnement aussi large que possible, présenter une courbe de puissance adaptée aux conditions de la zone d’exploitation, démarrer de manière fiable même par vent faible et fournir une énergie suffisante même lorsque les vitesses de vent sont très élevées (par exemple grâce à un réglage des pales du rotor). Il est par ailleurs essentiel de disposer d’une protection fiable contre la survitesse, fonctionnant sans intervention manuelle. À cela s’ajoute une conception robuste, adaptée aux conditions difficiles de l’environnement maritime.

Dans la classe de puissance susmentionnée, les prix varient entre 1 500 et 3 000 euros. Les modèles haut de gamme séduisent par leur longévité, leur fonctionnement silencieux et leur rendement stable. Associées à une installation solaire, elles permettent notamment de combler les déficits d’approvisionnement au printemps et à l’automne, lorsque le soleil faiblit mais que le vent souffle souvent fort. Il en va de même pour les journées maussades pendant la haute saison.

Et ce, même avec une brise modérée : une puissance continue de 45 watts sur 24 heures représente tout de même 1 080 wattheures, soit 90 ampères-heures pour un système de 12 volts.

Risques potentiels

En fonctionnement normal, les éoliennes utilisées sur les yachts peuvent atteindre des vitesses de rotation allant jusqu’à 1 700 tours par minute. Avec un diamètre de rotor de 1,10 mètre, les extrémités des pales fendent alors l’air à plus de 350 kilomètres à l’heure (vitesse périphérique). Par ailleurs, à vitesse de rotation élevée, les pales deviennent pratiquement invisibles. Les collisions, provoquées par exemple par le gréement courant (comme une ligne de ris qui claque ou des pataras lâches) ou avec une amarre lancée, entraînent généralement la destruction des pales du rotor. Cela comporte le risque que l'équipage ou des passants soient blessés par des débris projetés. Si l'amarrage s'effectue contre de hauts murs de quai, l'équipage pourrait même se retrouver directement dans la zone d'influence du rotor.

Dans ce contexte, il est recommandé d'équiper l'éolienne d'un interrupteur d'arrêt. Celui-ci court-circuite l’éolienne et permet de l’arrêter dans des situations potentiellement dangereuses – par exemple avant des manœuvres de navigation ou lors de l’amarrage au port. Les interrupteurs d’arrêt doivent résister à des courants élevés et être adaptés à l’appareil concerné. De nombreux fabricants d’éoliennes les proposent comme accessoires.

Tous les composants de l’éolienne doivent en outre être fabriqués à partir de matériaux résistants à l’eau de mer. Sinon, la corrosion pourrait entraîner le détachement ou la défaillance de certaines pièces. Lors de l’achat, il est recommandé de privilégier les produits explicitement conçus pour une utilisation maritime.

Prévention du bruit et conseils de montage

On lit parfois dans des témoignages qu’une éolienne prive l’équipage de sommeil. Aucune éolienne ne fonctionne de manière totalement silencieuse, mais de nombreux modèles modernes sont devenus nettement plus discrets, notamment grâce à des pales optimisées sur le plan aérodynamique et à une technologie de roulements améliorée. Ainsi, le bruit de fonctionnement se fond de plus en plus dans le bruit de fond général du vent.

Alors que les bruits du vent et des pales se propagent dans l’air, ce sont surtout les bruits de structure qui se font sentir sous le pont. Ceux-ci sont transmis au bateau par le support de l’éolienne et peuvent être éliminés grâce à un découplage acoustique rigoureux. Les magasins spécialisés proposent des kits de montage spécifiques comprenant des butées en caoutchouc ou en plastique qui atténuent efficacement la transmission des bruits solidiens. Sur certains générateurs, ce type de découplage est déjà intégré d’usine dans le support.

De manière générale, l’alternateur doit être exploité à une hauteur telle que l’équipage ne puisse, dans des conditions normales, pénétrer dans la zone du rotor en rotation. Le montage sur des supports d’équipement solides ou des mâts spéciaux à la poupe a fait ses preuves. À cet endroit, un écoulement d’air largement libre est en outre garanti. Les supports et la suspension doivent être conçus de manière à résister durablement aux variations constantes de charge dues à la houle, à la gîte et au lacet. Le montage sur une barre de support nécessite généralement un haubanage, d’autant plus que les nacelles de poupe ne sont généralement pas conçues pour supporter de telles contraintes. Les assemblages vissés, les amortisseurs, les paliers et les pales du rotor doivent être contrôlés à intervalles réguliers. Les déséquilibres ou les bruits inhabituels sont souvent des signes avant-coureurs d’un besoin d’entretien.

Suggestions de lecture

Théorie et pratique de l'électricité embarquée explique les principes fondamentaux d'une alimentation électrique sûre à bord – des batteries et des techniques de recharge à la gestion de l'énergie, en passant par la distribution du courant continu. En ce qui concerne l'installation d'une éolienne, cet ouvrage fournit avant tout les connaissances nécessaires pour coordonner de manière judicieuse, au sein d'un système global, les générateurs, les régulateurs, les consommateurs et la capacité de stockage.

Watts, volts et autres caprices se concentre sur la compréhension technique du système électrique de bord : courant, tension, puissance, choix des composants et dépannage systématique. Cet ouvrage complète l'approche consacrée à l'éolienne en abordant la manière dont l'énergie produite peut être exploitée au sein du système de bord existant et en expliquant comment circonscrire méthodiquement les défauts typiques liés à l'installation, au câblage ou au fonctionnement.

Les éoliennes constituent-elles un complément intéressant à une installation solaire, ou les nuisances sonores, l'encombrement et les risques pour la sécurité l'emportent-ils à vos yeux ? Partagez vos expériences et votre avis dans les commentaires.