Fiche de révision : Introduction à l'énergie éolienne et acoustique

📋 Plan du Cours

1. Contexte énergétique du projet
2. Implantation des éoliennes
3. Facteur de charge et financement
4. Caractéristiques de l’éolienne N117
5. Fondation et efforts mécaniques
6. Stabilité au poinçonnement et au glissement
7. Émergence sonore réglementaire
8. Propagation du bruit en champ libre
9. Mesures acoustiques et conformité

📖 1. Contexte énergétique du projet

🔑 Notions clés & Définitions

• Plan climat : Le plan climat est une initiative lancée pour accélérer la transition énergétique et climatique.
• Loi relative à la transition énergétique pour la croissance verte : La loi fixe un objectif de part d’énergies renouvelables dans le mix électrique français d’ici 2030.
• Programmation pluriannuelle de l’énergie : La programmation pluriannuelle de l’énergie décrit des objectifs de développement des énergies renouvelables sur plusieurs années.
• Filière éolienne terrestre : La filière éolienne terrestre est une voie de production d’électricité renouvelable dont le rôle est de contribuer à l’objectif national.

📝 Points essentiels

• L’objectif national est d’atteindre 40% d’énergie renouvelable dans le mix électrique français d’ici 2030.
• La programmation pluriannuelle de l’énergie prévoit entre 21 800 MW et 26 000 MW de capacité éolienne terrestre installée en 2025.
• L’étude porte sur une ferme éolienne de puissance totale 12 MW.
• Le projet est motivé par l’augmentation d’une production « verte » compatible avec les enjeux climatiques.

💡 Astuce mémo

40→2030 : 40% d’ici 2030, comme une cible à venir.

📖 2. Implantation des éoliennes

🔑 Notions clés & Définitions

• Éolienne : Une éolienne est un dispositif destiné à convertir l’énergie du vent en électricité.
• Distance minimale aux habitations : La distance minimale aux habitations est la séparation exigée entre chaque éolienne et les lieux d’habitation.
• Effet barrière : L’effet barrière est un impact spatial qui peut augmenter les risques de collision avec l’avifaune en période de migration.
• Zone à enjeu écologique : Une zone à enjeu écologique regroupe des milieux où l’implantation d’éoliennes peut être particulièrement contrainte.

📝 Points essentiels

• La réglementation impose une distance minimale de 500 m entre une éolienne et les habitations.
• Le projet N°1 augmente l’effet barrière car les 6 éoliennes sont alignées en ligne.
• Le projet N°2 réduit l’effet barrière via une largeur globale plus réduite (1100 m) et une disposition avec espaces entre éoliennes.
• Le projet N°2 éloigne davantage l’éolienne E5 du ruisseau de la Mâtre (plus de 600 m) et impose un éloignement général supérieur à 400 m.
• Le projet N°1 prévoit des éoliennes plus proches de la zone humide et des habitations côté Est (E5 et E6).

💡 Astuce mémo

N°1 = ligne large (plus de risque), N°2 = ligne moins longue (plus d’écarts et plus d’éloignement).

📖 3. Facteur de charge et financement

🔑 Notions clés & Définitions

• Facteur de charge fc : Le facteur de charge est le rapport entre l’énergie réellement produite sur une période et l’énergie qui serait produite à puissance nominale sur la même période.
• Prix d’achat EDF ENR : Le prix d’achat EDF ENR est le tarif auquel l’énergie électrique produite est revendue.
• Coût d’exploitation, d’entretien et de maintenance : Le coût annuel d’exploitation regroupe les dépenses nécessaires au fonctionnement et à la maintenance de l’installation.
• Durée de vie : La durée de vie est la période sur laquelle l’installation est supposée produire avant renouvellement ou démantèlement.

📝 Points essentiels

• Le facteur de charge vaut fc = Énergie produite / Énergie nominale.
• La ferme compte 5 éoliennes de 2,4 MW, soit 12 MW au total.
• La consommation moyenne annuelle est donnée à 3 200 kWh par foyer, et il y a 7 000 foyers.
• La production moyenne de la ferme est estimée à 25 000 MW·h par an.
• Le financement utilise un investissement de 1 500 € TTC par kW installé et une maintenance de 3% par an de l’investissement.
• Le prix d’achat est de 100 € TTC par MW·h et la durée de vie est de 25 ans.

💡 Astuce mémo

fc mesure le « réel » vs le « nominal » : fc = réel / nominal.

📖 4. Caractéristiques de l’éolienne N117

🔑 Notions clés & Définitions

• Modèle N117 – 2,4 MW : Le modèle N117 – 2,4 MW désigne l’éolienne étudiée, de puissance nominale 2,4 MW et de dimensions spécifiques.
• Vitesse nominale : La vitesse nominale est la valeur de vent pour laquelle l’éolienne atteint sa puissance nominale.
• Vitesse de coupure : La vitesse de coupure est la vitesse au-delà de laquelle l’éolienne s’arrête pour sécurité.
• Mise en drapeau des pales : La mise en drapeau correspond à la position des pales afin de réduire l’effet du vent quand les conditions deviennent trop fortes.

📝 Points essentiels

• Le diamètre du rotor est de 116,8 m et la surface balayée vaut 10 715 m².
• La fréquence de rotation est indiquée entre 7,5 et 13,2 tr·min⁻1.
• La hauteur en bout de pale est de 149,4 m et la hauteur de mât seul est de 89 m.
• La vitesse de vent de démarrage est 3 m·s⁻1, la vitesse nominale est 11 m·s⁻1 et la vitesse de coupure est 20 m·s⁻1.
• La nacelle est donnée à 72 tonnes, une pale à 8,3 tonnes et le mât à 210 tonnes.
• Le freinage combine mise en drapeau par dispositif hydraulique et frein d’arrêt à disque au rotor.

💡 Astuce mémo

3-11-20 : démarrage 3, nominal 11, coupure 20 (toujours l’ordre).

📖 5. Fondation et efforts mécaniques

🔑 Notions clés & Définitions

• Poinçonnement : Le poinçonnement est l’enfoncement de la fondation dans le sol dû à l’effort vertical appliqué par la structure.
• Glissement : Le glissement est le déplacement horizontal de la structure lié à l’effort horizontal appliqué par le vent.
• Charge permanente verticale : La charge permanente verticale est la contribution verticale due au poids propre pris en compte dans le calcul.
• Sol homogène : Un sol homogène est un sol dont les propriétés sont considérées constantes sur la zone étudiée pour le calcul de contrainte.

📝 Points essentiels

• On étudie le poinçonnement en prenant ici seulement le poids propre de la structure (éolienne + fondation).
• On étudie le glissement en prenant ici seulement l’effort horizontal du vent, sans traiter le basculement.
• La masse volumique du béton armé est ρ = 2 700 kg·m⁻3.
• La gravité utilisée est g = 9,81 m·s⁻2 et la base de charge est PV = 15 000 kN.
• Le calcul de contrainte repose sur la surface de contact S de la fondation et une contrainte σ = P / S en MPa.
• Les volumes géométriques de la fondation sont : V1 et V3 cylindres, V2 cône tronqué (avec les formules géométriques fournies).

💡 Astuce mémo

Poinçonnement = vertical, Glissement = horizontal : une étude = un seul type d’effort ici.

📖 6. Stabilité au poinçonnement et au glissement

🔑 Notions clés & Définitions

• Contrainte admissible σadm : La contrainte admissible est la valeur maximale de contrainte que le sol peut supporter pour un dimensionnement acceptable.
• Coefficient de sécurité s : Le coefficient de sécurité compare une résistance de référence à la contrainte maximale afin de vérifier un dimensionnement minimal.
• Angle de frottement δ : L’angle de frottement quantifie le frottement entre fondation et sol intervenant dans la condition contre le glissement.
• Condition de non-glissement : La condition de non-glissement est l’inégalité qui impose que l’effort horizontal reste inférieur à la capacité liée au frottement et à l’effort vertical minimal.

📝 Points essentiels

• On vérifie le poinçonnement avec s = σadm / σ et le seuil minimal imposé est s ≥ 2.
• La contrainte admissible du sol est σadm = 0,3 MPa.
• La valeur de PVmini utilisée pour le glissement est 15 000 kN.
• La relation de non-glissement fournie est H < PVmini · tan δ / γ.
• Pour le glissement, δ vaut 25° et le coefficient de sécurité γ est à calculer puis à comparer par vérification.
• L’optimisation possible évoquée consiste à optimiser la fondation (sans détailler de solution chiffrée dans l’énoncé).

💡 Astuce mémo

σ : admissible en haut, σmax en bas via s = σadm/σ ; si s est grand, c’est plus sûr.

📖 7. Émergence sonore réglementaire

🔑 Notions clés & Définitions

• Émergence E : L’émergence est la différence entre le niveau de bruit ambiant et le niveau de bruit résiduel.
• Bruit ambiant : Le bruit ambiant est le niveau sonore mesuré pendant le fonctionnement des éoliennes.
• Bruit résiduel : Le bruit résiduel est le niveau sonore mesuré quand les éoliennes ne fonctionnent pas.
• Zone à Émergence Réglementée ZER : Une ZER est un secteur où l’émergence globale admissible est encadrée par des seuils jour et nuit.

📝 Points essentiels

• L’indicateur d’émergence est E = Leqéol – Leqrési.
• Le niveau de puissance acoustique totale d’une éolienne est LW = 102 dB(A).
• En ZER, l’émergence maximale diurne (7h–22h) est 5 dB(A).
• En ZER, l’émergence maximale nocturne (22h–7h) est 3 dB(A).
• On mesure le bruit résiduel avant implantation puis le bruit ambiant après implantation au niveau des habitations les plus proches.
• Le bruit vient du sommet du mât, et la propagation est modélisée sans obstacle quelle que soit la direction.

💡 Astuce mémo

5 dB(A) le jour, 3 dB(A) la nuit : deux seuils pour deux périodes.

📖 8. Propagation du bruit en champ libre

🔑 Notions clés & Définitions

• Niveau de puissance acoustique LW : Le niveau de puissance acoustique est un indicateur de la puissance acoustique nécessaire à la source pour émettre des ondes sonores.
• Niveau sonore LP : Le niveau sonore LP est le niveau de bruit reçu au point considéré, exprimé en dB(A).
• Distance d : La distance d est l’écart entre la source sonore et le point de mesure utilisé dans la propagation.
• Facteur de directivité Q : Le facteur de directivité Q représente l’orientation de l’émission sonore et modifie la décroissance avec la distance.

📝 Points essentiels

• La relation en champ libre est LP = LW + 10·log( Q / (4·π·d²) ) avec d en m.
• En champ libre, doubler la distance fait diminuer le niveau sonore de 6 dB(A).
• Les valeurs proposées de Q sont : Q=1 (omnidirectionnelle), Q=2 (omnidirectionnelle sur le sol), Q=4 (omnidirectionnelle sur le sol contre un obstacle vertical).
• Pour C.1, la distance entre source et un point à 500 m du pied se calcule en tenant compte de la hauteur de la source (sommet du mât).
• Pour vérifier l’absence de dépassement, on compare les LP calculés aux seuils réglementaires (aucune habitation au-dessus de 45 dB(A)).

💡 Astuce mémo

Champ libre : d → 2d ⇒ LP −6 dB(A) (règle de décroissance à apprendre).

📖 9. Mesures acoustiques et conformité

🔑 Notions clés & Définitions

• Mesure après implantation : Les mesures après implantation consistent à relever le bruit ambiant avec les éoliennes en fonctionnement.
• Bilan diurne : Le bilan diurne est l’évaluation de l’émergence sur la période 7h–22h à partir des mesures.
• Bilan nocturne : Le bilan nocturne est l’évaluation de l’émergence sur la période 22h–7h à partir des mesures.

📝 Points essentiels

• Dans les tableaux, l’émergence à calculer se fait à partir de Bruit ambiant et Bruit résiduel pour chaque vitesse de vent.
• Seuils applicables à comparer : 5 dB(A) pour le jour et 3 dB(A) pour la nuit en ZER.
• Exemple de bilan diurne pour 3 m·s⁻1 : Bruit résiduel 43,4 dB(A), Bruit ambiant 44,3 dB(A), Émergence 0,9 dB(A).
• Exemple de bilan nocturne pour 3 m·s⁻1 : Bruit résiduel 42,4 dB(A), Bruit ambiant 43,2 dB(A), Émergence non précisée ici mais dépend des deux valeurs.
• Exemple à 9 m·s⁻1 : Émergence diurne 0,8 dB(A) et Émergence nocturne 0,5 dB(A).
• Pour un projet initial non conforme, une solution d’atténuation est à proposer afin de réduire l’émergence sous les limites (sans imposer une technique unique dans l’énoncé).

💡 Astuce mémo

Émergence = ambiant − résiduel : si tu gardes cette soustraction, tu retrouves toutes les colonnes d’un tableau.

📅 Repères chronologiques

📊 Tableaux de synthèse

Analyse d’implantation N°1 vs N°2

⚠️ Pièges & confusions fréquents

1. Confondre le facteur de charge fc (rapport d’énergies) avec le rendement énergétique (chaîne de puissance), car ce sont deux notions distinctes.
2. Utiliser 500 m comme distance entre éoliennes et non pas entre une éolienne et les habitations, ce qui fausse la justification réglementaire.
3. Appliquer la soustraction à l’envers pour l’émergence, confondre bruit ambiant et bruit résiduel, puis conclure à tort au respect de la ZER.
4. Oublier que le sommet du mât est la source sonore pour la partie propagation, ce qui modifie la distance d dans les calculs de LP.
5. Confondre les vitesses du vent (démarrage, nominale, coupure) avec les vitesses de rotation des pales, qui sont en tr·min⁻1.
6. Caculer le coefficient de sécurité en inversant σ et σadm, alors que la relation donnée impose s = σadm/σ.

✅ Checklist Examen

1. Vérifier la distance minimale réglementaire de 500 m entre chaque éolienne et les habitations pour les projets 1 et 2.
2. Attribuer les pondérations +1 ou −1 selon le caractère favorable ou défavorable des critères d’impact, puis calculer les totaux pour N°1 et N°2.
3. Conclure quel projet est le plus pertinent à partir des totaux pondérés et justifier le choix.
4. Calculer l’énergie annuelle produite par les cinq éoliennes via le facteur de charge fc et déterminer l’équivalent en kWh/MW·h.
5. Calculer le nombre de foyers pouvant être alimentés à partir de la production annuelle et de 3 200 kWh par foyer.
6. Établir un bilan dépenses/recettes annuel sur cinq éoliennes avec l’investissement, la maintenance, et les recettes de revente EDF ENR.
7. Déterminer le nombre d’années de rentabilité à partir du graphique de viabilité financière et conclure sur la validité financière.
8. Renseigner les étiquettes des formes d’énergie dans l’ibd (chimique, nucléaire, mécanique, thermique, rayonnante, électrique) et qualifier l’énergie en A et B (primaire/secondaire/finale/utile).
9. Placer le point de fonctionnement sur la courbe de puissance à partir de la vitesse moyenne du vent 5,5 m·s⁻1, puis en déduire la puissance Pv disponible.
10. Calculer le rendement global à partir des rendements de blocs (multiplicateur, pales, convertisseur, transformateur) et vérifier l’énergie annuelle estimée par le bureau d’études.
11. Pour le mât : identifier la sollicitation (torsion/traction/flexion/compression/cisaillement), choisir la zone la plus sollicitée, puis calculer le coefficient de sécurité s et vérifier s ≥ 3.
12. Pour la fondation : calculer la masse totale de la structure, le volume et la masse de la fondation, puis la charge permanente verticale en kN.
13. Calculer la surface de contact et la contrainte σ, puis vérifier le coefficient de sécurité minimal pour le poinçonnement s ≥ 2.
14. Pour le glissement : relever Vmax, déterminer l’effort horizontal H, vérifier la condition de non-glissement et calculer γ arrondi à l’entier inférieur.