Démystifier la science La lenteur des éoliennes

Chaque semaine, notre journaliste répond aux questions scientifiques de lecteurs.

Pourquoi les éoliennes tournent-elles si lentement ?
– Alain Cornellier

Parce que l’extrémité de leurs pales tourne beaucoup plus vite que leur centre, et qu’il faut éviter une vitesse excessive qui pourrait créer des turbulences et endommager la structure ou les mécanismes de l’éolienne.

« Ce qui limite la vitesse des éoliennes, c’est la vitesse du son, explique Frederick Gosselin, professeur de génie mécanique à Polytechnique Montréal. Le bout de la pale voyage très vite et la longueur de la pale multiplie la vitesse. C’est comme une aile d’avion : quand on arrive proche de la vitesse du son, il y a toutes sortes d’effets de fluides compressibles dans l’air qui affectent le comportement de l’aile. [...] En plus, autour de la pale, le vent est accéléré, même si ça ne paraît pas quand on la regarde du sol. »

La vitesse du son, ou Mach 1 en l’honneur d’un physicien autrichien du XIX^e siècle, varie en fonction de la température et de l’altitude. Sur le plancher des vaches et à 15 °C, elle est de 340 m/s, soit 1235 km/h. À -25 °C, la vitesse du son est 10 % plus lente. Ernst Mach a été le premier à décrire les turbulences qui entourent un objet qui approche la vitesse du son, le fameux « mur du son » que franchissent les avions avec un « bang ».

M. Gosselin étudie justement les « phénomènes d’instabilité des structures élancées », comme les ailes d’avion.

« Les plus grosses pales d’éoliennes au monde sont fabriquées en Gaspésie, note M. Gosselin. À 110 m de rayon (107 m de pale plus le moyeu), si l’éolienne tourne à 7 tours par minute, ça fait une vitesse de bout de pale de plus de 80 m/s ou 290 km/h ! À 7 tours par minute, ça paraît lent, mais c’est tellement gros que ça va vite. »

Cette taille de pales est utilisée dans les éoliennes en mer (offshore). Les pales des éoliennes sur la terre ferme mesurent généralement moitié moins.

Un autre professeur de Polytechnique, Ion Paraschivoiu, est l’auteur du manuel Wind Turbine Design, utilisé dans les universités depuis sa publication en 2002. « J’ai eu la chance de travailler sur l’éolienne verticale de Cap-Chat au milieu des années 1980, dit M. Paraschivoiu. Elle avait la forme d’un batteur à œufs, avec un rayon de 32 mètres. Elle tournait à seulement 15 tours par minute, ce n’est pas vite vu de loin. Mais le bout des pales allait assez vite pour qu’on doive faire des calculs de stabilité. »

L’éolienne verticale de Cap-Chat n’a été exploitée que pendant quatre ans, à cause d’une bourrasque qui a endommagé son mécanisme.

Vous avez une question scientifique ? Écrivez-nous