Études de cas pratique

EGC

Calcul de la Production d’un Parc Éolien

Calcul de la Production d’un Parc Éolien (Énergies Renouvelables)

Calcul de la Production d’un Parc Éolien

Comprendre la Production d'un Parc Éolien

L'énergie éolienne est une source d'énergie renouvelable de plus en plus exploitée à travers le monde. Un parc éolien est constitué d'un ensemble d'éoliennes installées sur un même site pour produire de l'électricité à grande échelle. La production énergétique annuelle d'un parc éolien dépend de nombreux facteurs, notamment : la puissance nominale et les caractéristiques de chaque éolienne, le nombre total d'éoliennes, le régime des vents sur le site (vitesse moyenne, distribution des vitesses), la disponibilité des machines (temps d'arrêt pour maintenance ou pannes), et les pertes diverses (effet de sillage entre les éoliennes, pertes électriques dans les câbles et transformateurs). L'estimation de cette production est cruciale pour évaluer la rentabilité d'un projet éolien et sa contribution à la production d'énergie renouvelable.

Données de l'étude

On étudie un projet de parc éolien terrestre.

Caractéristiques du parc et des éoliennes :

  • Nombre d'éoliennes dans le parc (\(N_{\text{eol}}\)) : 12
  • Puissance nominale d'une éolienne (\(P_{\text{nom,eol}}\)) : \(2.5 \, \text{MW}\) (Mégawatts)
  • Facteur de charge moyen annuel du parc (\(F_c\)) : \(28\%\) (0.28). Ce facteur représente le rapport entre l'énergie réellement produite sur un an et l'énergie qui serait produite si toutes les éoliennes fonctionnaient à leur puissance nominale pendant toute l'année. Il intègre les variations de vent, la disponibilité, les pertes, etc.

Informations complémentaires :

  • Nombre d'heures dans une année : \(8760 \, \text{h}\)
  • Consommation électrique moyenne d'un foyer (hors chauffage électrique) : \(4500 \, \text{kWh/an/foyer}\)
  • Facteur d'émission de CO2 du mix électrique moyen évité : \(0.09 \, \text{kgCO}_2\text{eq/kWh}\) (valeur indicative pour un mix européen moyen)
Schéma : Parc Éolien et Connexion au Réseau
Parc Éolien {/* */} {/* */} {/* */} Vent {/* */} Poste de transformation {/* */} Réseau Électrique

Schéma simplifié d'un parc éolien raccordé au réseau électrique.

Questions à traiter

  1. Calculer la puissance nominale totale du parc éolien (\(P_{\text{parc,nom}}\)) en MW.
  2. Calculer l'énergie maximale théorique que le parc pourrait produire en un an s'il fonctionnait constamment à sa puissance nominale (\(E_{\text{max,théorique}}\)).
  3. Estimer la production énergétique annuelle nette du parc éolien (\(E_{\text{annuelle,nette}}\)) en kWh et en GWh, en utilisant le facteur de charge.
  4. Calculer le nombre de foyers dont la consommation électrique (hors chauffage) pourrait être couverte par la production annuelle nette du parc.
  5. Estimer la quantité d'émissions de CO2 évitées annuellement grâce à ce parc éolien.

Correction : Calcul de la Production d’un Parc Éolien

Question 1 : Puissance Nominale Totale du Parc Éolien (\(P_{\text{parc,nom}}\))

Principe :

La puissance nominale totale d'un parc éolien est la somme des puissances nominales de toutes les éoliennes qui le composent. Si toutes les éoliennes sont identiques, on multiplie la puissance nominale d'une éolienne par le nombre d'éoliennes.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ P_{\text{parc,nom}} = N_{\text{eol}} \times P_{\text{nom,eol}} \]
Données spécifiques :
  • Nombre d'éoliennes (\(N_{\text{eol}}\)) : 12
  • Puissance nominale d'une éolienne (\(P_{\text{nom,eol}}\)) : \(2.5 \, \text{MW}\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} P_{\text{parc,nom}} &= 12 \times 2.5 \, \text{MW} \\ &= 30 \, \text{MW} \end{aligned} \]
Résultat Question 1 : La puissance nominale totale du parc éolien est de \(30 \, \text{MW}\).

Question 2 : Énergie Maximale Théorique Annuelle (\(E_{\text{max,théorique}}\))

Principe :

L'énergie maximale théorique que le parc pourrait produire est calculée en supposant que toutes les éoliennes fonctionnent à leur puissance nominale pendant toutes les heures de l'année. C'est une valeur purement théorique qui ne tient pas compte des variations du vent ni des arrêts.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ E_{\text{max,théorique}} = P_{\text{parc,nom}} \times \text{Nombre d'heures dans une année} \]
Données spécifiques :
  • Puissance nominale du parc (\(P_{\text{parc,nom}}\)) : \(30 \, \text{MW} = 30000 \, \text{kW}\)
  • Nombre d'heures dans une année : \(8760 \, \text{h}\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} E_{\text{max,théorique}} &= 30000 \, \text{kW} \times 8760 \, \text{h/an} \\ &= 262800000 \, \text{kWh/an} \\ &= 262.8 \, \text{GWh/an} \end{aligned} \]
Résultat Question 2 : L'énergie maximale théorique que le parc pourrait produire annuellement est de \(262\,800\,000 \, \text{kWh}\) (ou \(262.8 \, \text{GWh}\)).

Quiz Intermédiaire 1 : Le facteur de charge d'un parc éolien est typiquement :

Question 3 : Production Énergétique Annuelle Nette (\(E_{\text{annuelle,nette}}\))

Principe :

La production énergétique annuelle nette est l'énergie réellement injectée au réseau ou consommée. Elle est estimée en multipliant l'énergie maximale théorique par le facteur de charge moyen annuel du parc. Le facteur de charge intègre toutes les causes de non-production à pleine puissance (variabilité du vent, maintenance, pannes, effet de sillage, pertes électriques internes au parc, etc.).

Formule(s) utilisée(s) :
\[ E_{\text{annuelle,nette}} = E_{\text{max,théorique}} \times F_c \]

Alternativement, on peut utiliser le nombre d'heures de fonctionnement équivalent à pleine puissance (\(T_{\text{eqfp}}\)) si celui-ci est donné pour le parc : \(E_{\text{annuelle,nette}} = P_{\text{parc,nom}} \times T_{\text{eqfp}}\). Ici, le facteur de charge est donné, qui est \(F_c = T_{\text{eqfp}} / (\text{Nombre d'heures dans une année})\). L'énoncé précédent donnait \(T_{\text{eqfp}}\), celui-ci donne \(F_c\).

Données spécifiques :
  • Énergie maximale théorique (\(E_{\text{max,théorique}}\)) : \(262800000 \, \text{kWh/an}\) (résultat Q2)
  • Facteur de charge (\(F_c\)) : \(0.28\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} E_{\text{annuelle,nette}} &= 262800000 \, \text{kWh/an} \times 0.28 \\ &= 73584000 \, \text{kWh/an} \end{aligned} \]

En GWh/an : \(E_{\text{annuelle,nette}} = 73.584 \, \text{GWh/an}\).

Résultat Question 3 : La production énergétique annuelle nette du parc éolien est de \(73\,584\,000 \, \text{kWh}\) (soit \(73.584 \, \text{GWh}\)).

Question 4 : Nombre de Foyers Alimentés

Principe :

Pour estimer le nombre de foyers dont la consommation électrique (hors chauffage) peut être couverte, on divise la production énergétique annuelle nette du parc par la consommation électrique moyenne annuelle d'un foyer.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ N_{\text{foyers}} = \frac{E_{\text{annuelle,nette}}}{C_{\text{foyer}}} \]
Données spécifiques :
  • Production annuelle nette (\(E_{\text{annuelle,nette}}\)) : \(73584000 \, \text{kWh/an}\)
  • Consommation moyenne par foyer (\(C_{\text{foyer}}\)) : \(4500 \, \text{kWh/an/foyer}\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} N_{\text{foyers}} &= \frac{73584000 \, \text{kWh/an}}{4500 \, \text{kWh/an/foyer}} \\ &\approx 16352 \, \text{foyers} \end{aligned} \]
Résultat Question 4 : Le parc éolien pourrait couvrir la consommation électrique (hors chauffage) d'environ 16352 foyers.

Quiz Intermédiaire 2 : Si la consommation moyenne par foyer augmentait, le nombre de foyers pouvant être alimentés par le même parc :

Question 5 : Émissions de CO2 Évitées Annuellement

Principe :

L'électricité produite par le parc éolien se substitue à de l'électricité qui aurait été produite par d'autres moyens, potentiellement plus émetteurs de CO2 (selon le mix énergétique du réseau). Les émissions de CO2 évitées sont calculées en multipliant la production énergétique annuelle nette du parc par le facteur d'émission de CO2 du mix électrique moyen évité.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ \text{CO}_{2,\text{évitées}} = E_{\text{annuelle,nette}} \times f_{\text{GES,elec}} \]
Données spécifiques :
  • Production annuelle nette (\(E_{\text{annuelle,nette}}\)) : \(73584000 \, \text{kWh/an}\)
  • Facteur d'émission GES électricité (\(f_{\text{GES,elec}}\)) : \(0.09 \, \text{kgCO}_2\text{eq/kWh}\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} \text{CO}_{2,\text{évitées}} &= 73584000 \, \text{kWh/an} \times 0.09 \, \text{kgCO}_2\text{eq/kWh} \\ &= 6622560 \, \text{kgCO}_2\text{eq/an} \end{aligned} \]

Soit \(6622.56 \, \text{tonnes de CO}_2\text{eq/an}\).

Résultat Question 5 : Les émissions de CO2 évitées annuellement grâce à ce parc éolien sont d'environ \(6\,623 \, \text{tonnes de CO}_2\text{eq}\).

Quiz Intermédiaire 3 : L'effet de sillage dans un parc éolien :

Quiz Rapide : Testez vos connaissances (Récapitulatif)

1. La puissance nominale d'un parc éolien est :

2. Le facteur de charge d'un parc éolien :

3. La production énergétique annuelle d'un parc éolien est influencée par :

Glossaire

Parc Éolien
Ensemble d'éoliennes regroupées sur un même site pour produire de l'électricité à grande échelle.
Puissance Nominale (d'une éolienne ou d'un parc)
Puissance électrique maximale qu'une éolienne (ou un parc) est conçue pour produire dans des conditions de vent optimales (généralement à une vitesse de vent spécifique, dite vitesse nominale).
Facteur de Charge (\(F_c\))
Rapport entre l'énergie électrique réellement produite par une installation (éolienne, parc éolien, centrale électrique) sur une période donnée (souvent un an) et l'énergie qu'elle aurait produite si elle avait fonctionné en continu à sa puissance nominale pendant cette même période. C'est un indicateur de la productivité réelle d'une installation.
Heures de Fonctionnement Équivalent à Pleine Puissance (\(T_{\text{eqfp}}\))
Nombre d'heures fictives pendant lesquelles une installation de production d'énergie devrait fonctionner à sa puissance nominale pour produire la même quantité d'énergie qu'elle produit réellement sur une période donnée (généralement un an) avec une puissance variable. \(T_{\text{eqfp}} = E_{\text{annuelle,nette}} / P_{\text{nom}}\).
Effet de Sillage (Wake Effect)
Perturbation aérodynamique (réduction de la vitesse du vent et augmentation de la turbulence) créée en aval d'une éolienne, qui peut affecter la performance des éoliennes situées derrière elle dans un parc.
Disponibilité (d'une éolienne ou d'un parc)
Pourcentage du temps pendant lequel une éolienne ou un parc est techniquement capable de produire de l'énergie (c'est-à-dire, non en arrêt pour maintenance, panne, ou contraintes de réseau).
Calcul de la Production d’un Parc Éolien - Exercice d'Application

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