Eolienne de Gedser

L’éolienne de Gedser est considérée comme la mère des éoliennes modernes. Elle est conçue par Johannes Juul, ingénieur électricien danois, au milieu des années 1950. Modèle de design fiable et robuste elle représente le concept danois qui aura une influence planétaire sur l’industrie éolienne.

Poul La Cour (1846-1908)

Ingénieur de formation, météorologue, futur professeur de J.Juul, Poul La Cour fut un inventeur de génie et un professeur remarquable. Au début du XXème siècle, le pays manque d’électriciens, La Cour propose ses services à l’Askov Folk High School, afin de répondre à ce besoin et forme les premiers électriciens de campagne ou « électricien de l’éolien ». Dès 1895 Poul La Cour construit son propre générateur d’électrolyse. L’énergie éolienne sera convertie en hydrogène et oxygène, puis stockée dans des réservoirs. Afin d’améliorer le rendement de l’éolienne et mieux couvrir la surface utile du vent, La Cour travaille ensuite sur l’efficacité aérodynamique du rotor, sa vitesse et sa portance. Sous son initiative est créée l’Association Danoise d’Electricité Eolienne (DVES) qui rassemble des agriculteurs, des politiques et des industriels chargés de participer au développement de l’implantation des éoliennes dans le pays.

Johannes Juul (1887-1967)

Juul, dont les parents étaient contre l’école traditionnelle, s’inscrivit à la Folk High School d’Askov où Poul La Cour enseignait. Juul y suit son enseignement et décroche son certificat d’électricien de campagne (ou éolien) à 17 ans à l’occasion de la première promotion en 1904 destinée à un public rural. Si Juul débute tôt dans l’électricité appliquée à l’énergie éolienne, il travaille ensuite à son compte puis à la South East Zealand Electric Company (SEAS) dont il fut à la tête des équipements d’installation dès 1926, en délaissant pour un temps ces expérimentations dans le domaine éolien.

Membre en 1940 de l’Association of Danish Engineers, il revient à l’énergie éolienne après la seconde guerre mondiale, près de 50 ans après ses débuts avec La Cour, moment où il prend conscience que ce type d’énergie aura un rôle important à l’avenir. Il reprend des recherches dans le secteur éolien et, après plusieurs années d’expérimentation, construit l’éolienne de Gedser qui intègre ses innovations principales et constitue le modèle Danois : trois pales, face au vent, génératrice asynchrone couplée au réseau électrique courant, autorégulation par décrochage, pales dotées d’un système de freinage aux extrémités pivotantes.

Le site de Gedser

Située sur l’ile de Falster, Gedser est aujourd’hui une petite commune rurale et touristique, la plus au sud du pays. Elle est exposée au vent d’ouest dominant et bénéficie d’un réseau électrique moderne. Ce dernier explique en partie l’implantation de bon nombre d’éoliennes à la suite de la vénérable « Old Lady », surnom donnée au prototype de Juul en raison des quatre arrêtes de béton constituant sa base et lui donnant une silhouette féminine.

Historique

Certains historiens de l’éolienne imaginent l’existence des moulins à vent, ancêtres des éoliennes dite modernes, à plus de 3000 ans, elles-mêmes influencées par les premiers voiliers. Les plus anciens moulins attestés se trouvent dans la région du Sistan (région aride d’Iran et d’Afghanistan). L’éolienne mécanique moderne, nommée également « préoliennes », est constituée d’un mat ou pilier de support, de pales et d’un rotor.
Dotée d’une totale autonomie grâce à son gouvernail, elle est construite aux États-Unis par Halladay qui fait breveter son moulin autonome en 1854. La première éolienne industrielle voit le jour au Danemark, en 1891, grâce à son inventeur, Poul La Cour. En combinant l’énergie mécanique engendrée par le vent à la production de l’électricité, on entre dans l’ère des aéromoteurs ou aérogénérateurs (appelés windchargers aux États-Unis) et de l’industrie éolienne.

Contexte géographique

Non seulement le pays bénéficie de conditions climatiques avantageuses, mélange de trois influences – Atlantique, boréale et continentale, d’une géographie favorable - plus de sept mille kilomètres de côtes – mer du Nord et mer Baltique, balayées par des vents dominants d’ouest pour 407 iles, une topographie idéale - peu d’obstacle, point culminant à 172 mètres, et une vitesse de vent relativement constante (7,5m/s). Mais encore les Danois vouent un culte particulier à la nature, respectent l’environnement et tirent parti de sa richesse durable. Grâce des conditions météorologiques particulièrement venteuses, le Danemark a établi en 2015 de nouveaux records mondiaux en termes de production d’énergie éolienne, plus de 42% de la production nationale, ce qui le place largement en tête en kW par nombre d’habitant au niveau mondial. Son objectif est d’arriver à 100% de production en énergie renouvelable en 2050. Dans la nuit du vendredi 23 au samedi 24 décembre 2016, le Danemark a assuré 100% de sa consommation électrique grâce aux énergies renouvelables.

Fiabilité Sécurité

Au-delà des innovations techniques détaillées ci-après en vue d’une meilleure fiabilité de son prototype, le souci de sécurité de Juul l‘amène à concevoir un système étonnant : une boule en métal placée dans la nacelle qui, en raison de turbulences dans la tour, pouvait tomber au sol. L’effet de la chute de cette boule de métal entrainait la coupure immédiate de l’électricité, déconnectant la turbine du réseau électrique.

Système à 3 pales

Juste après la deuxième guerre mondiale Juul construit une soufflerie comme le fit La Cour cinquante ans plus tôt pour tester différents profils d’hélice. Après plusieurs années d’expérimentation en aérodynamique, Juul construit une éolienne à trois pales sur la petite ile de Bogø. Elle fonctionne de 1952 à 1962 et devient l’éolienne la plus performante son époque. Elle inspirera la conception de l’éolienne de Gedser.

Innovation technique

L’éolienne industrielle se compose de plusieurs parties et sa conception nécessite des compétences scientifiques et techniques diverses non forcément spécifiques à l’éolien – structure, contrôle, aérodynamisme, électrotechnique. Outre les pales, élément essentiel de la conversion électrique - les trois pales sont la caractéristique du modèle danois depuis le prototype de Gedser, l’éolienne se compose d’une tour (ou mat), de frein, de moyeu, de boite de vitesse, de moteur d’orientation, d’arbres, d’anémomètre et de girouette. Son rendement dépend du meilleur fonctionnement de toutes ses parties : rotor (structure tournante ou hélice), multiplicateur (augmentation de la puissance rotative, de 30 tr/mm à 1500 tr/mm), génératrice (conversion de l’énergie cinétique en énergie électrique) et couplage réseau (transport de l’électricité).

Pales à extrémités pivotantes

Sous l’effet de la force centrifuge, à partir d’une certaine vitesse de rotation, les extrémités pivotent, se mettent en drapeau, et ralentissent la rotation du rotor. L’essentiel de ce dispositif est le contrôle de la vitesse de rotation des pales quel que soit la force des vents afin de protéger la structure de l’éolienne. Afin d’éviter les accidents liés aux variations imprévisibles des vents endommageant les pales, le pays a rendu obligatoire le principe des extrémités pivotantes dans la construction des nouvelles éoliennes.

Régulation par décrochage

Le mouvement rotatif de l’hélice est réglementé selon ce mécanisme de décrochage, c’est-à-dire l’arrêt intempestif du rotor pour assurer la protection de l’éolienne.

Génératrice asynchrone

Les machines à induction en courant alternatif sont des génératrices synchrones. Ces dernières exigent une synchronisation et une régulation contrôlées de la puissance électrique émise par l’éolienne. La génératrice électrique asynchrone garantit quant à elle, par sa précision et sa tolérance, un meilleur contrôle du couplage réseau, soit le raccordement au réseau électrique courant.

La courbe de puissance

La courbe de puissance montre la force issue de l’éolienne à différentes vitesses du vent. A faible vitesse la puissance est réduite, à vitesse élevée la puissance est plus importante. A très grande vitesse la puissance est limitée (autour de 25 m/s, soit 90km/h). L'énergie récupérable par une éolienne est proportionnelle à la surface balayée par son rotor et au cube de la vitesse du vent.

Contexte industriel

Si l’on compare avec les programmes de recherche et de développement à très haut budget des Etats-Unis et de l’Allemagne, pays également novateurs en énergie éolienne, les danois comme les hollandais ont toujours procédé à l’inverse : partir de l’expérience sur de petites machines dans un milieu propice pour aller vers des projets plus ambitieux. Ainsi, plutôt que de solliciter la communauté aéronautique et la grosse industrie électrique, les danois ont créé des équipes dédiées à cette filière avec des laboratoires d’expertise mondiale, notamment The National Research Centre for Energy and Sustainable Development (Risø DTU), passé du nucléaire à l’éolien dès 1978 en pleine crise pétrolière.

C’est à cette époque que Risø avec l’aide de la NASA étudie l’éolienne de Gedser pour construire sur ses bases, en 1979, une turbine de 630kW, la Nibe A, puis la Nibe B. C’est également à cette époque que Christian Riisager fabrique une petite éolienne de sept kW qu’il couple au réseau domestique d’électricité sans permission et qu’un groupe d’étudiants et de militants antinucléaires construit le prototype Tvind de 2MW qui connut un très grand succès.

C’est enfin pendant cette période que le North Western Jutland Institute for Renewable Energy (NIVE) rassemblant ingénieurs, forgerons et professeurs est créée, collaborant activement avec les 2000 petites et moyennes entreprises de forgerons qui voyaient dans l’industrie éolienne émergente un très gros potentiel économique.

Le secteur éolien danois aujourd’hui

42 % de l’électricité au Danemark provient du secteur éolien, ce qui permet au pays d’engranger une réserve supplémentaire d’énergie. Ce secteur industriel qui emploie beaucoup de personnes exporte son savoir-faire dans le monde entier.

Vestas

Vestas démarre comme une petite entreprise de machines, essentiellement agricoles. Vestas fait affaire avec un forgeron danois expérimenté du Jutland qui lui construit une éolienne performante. L’entreprise alors connait un rapide succès. Après sa faillite américaine, Vestas restructure son entreprise, conservant nom et personnel et, quelques années après, de nouveau, connait un très grand succès, rachetant Nordtank et NEG Micon qui fusionnèrent.

L’expérience américaine

Peu après son implantation aux Etats-Unis, Vestas perd beaucoup d’argent lorsque le marché Californien s’enraye à l’issue de l’expiration de la loi qui permettait aux investisseurs éoliens une réduction d’impôts de 50%. L’entreprise fait faillite.

Réhabilitation

Lorsque la crise pétrolière survient en 1973 et secoue les grandes puissances, la turbine de Gedser, détentrice d’un record d’activité de dix années sans interruption, connait sa première résurgence. Elle est alors le seul prototype d’envergure, productrice d’électricité à partir d’énergie éolienne en courant alternatif. Les Danois, déjà innovateurs, s’intéressent à nouveau à ce type d’énergie. Le rendement productif et la robustesse de l’éolienne de Gedser incitent également les américains à assister financièrement les danois dans la rénovation du modèle.

Y participent l’Administration du Développement en Recherche Energétique (ERDA), le Département Des Energies (DOE) et l’Administration Nationale de l’Aéronautique et de l’Espace (NASA). Elle est finalement remise sur pied en 1977, avec l’aide financière de ces institutions et, de 1978 à 1979, sous la supervision du Risø, de l’institut Maritime et de l’Université Technique du Danemark. Ce projet de réhabilitation permettra d’établir des tests de mesure de vitesse, de résistance, de sécurité et de fiabilité du système électrique afin d’élaborer les éoliennes du futur.

Problématique énergétique

Dans les années soixante le pétrole est très bon marché et l’éolien n’est pas rentable. La majorité des danois penchent plutôt en faveur de l’industrie nucléaire pour résoudre un réel besoin énergétique. En 1962 une étude menée sur les énergies met en avant la rentabilité des énergies fossiles et nucléaires. L’énergie éolienne est déclarée trop couteuse en comparaison pour alimenter les centrales électriques. Il n’y a alors aucun futur pour l’énergie éolienne. Juul critique ouvertement cette position, mais n’est pas écouté.

Musée des énergies

L’objectif du musée des énergies de Bjerringbro est de collectionner, d’enregistrer et de préserver divers objets et machines propres à l’histoire de l’énergie danoise. Le musée propose au public un large panorama de l’histoire énergétique du pays et se spécialise aujourd’hui dans les énergies renouvelables. Il s’agit de sensibiliser le public au gaspillage de l’énergie, de favoriser une prise de conscience écologique.

Résurgence écologique

Les moulins à vent, ancêtres lointains des turbines éoliennes les plus récentes, utilisent une énergie commune, le vent. Au tout début de leur histoire, les moulins à vent servaient à pomper l’eau pour irriguer les terres. Au gré des révolutions mécaniques et industrielles, leur production s’est diversifiée. De simple machines de pompage ils passent à la production d’électricité. Depuis les années soixante-dix et ses deux embargos pétroliers, Eole, vice-roi de Zeus, est en grâce. Son énergie est saine, renouvelable et durable.

Il aura donc fallu plusieurs crises énergétiques, liées à différents conflits mondiaux, pour que naisse une prise de conscience écologique. Produire des énergies pour améliorer les conditions de vie et le confort de tous doit se faire en harmonie avec la nature, sans détruire la planète. L’éolienne de Gedser, conçue avant cette révélation, mais renaissante grâce à elle, recouvre ainsi une forme de résurgence toute symbolique.

Résurgence historique

Après une nouvelle période d’inactivité, de 1980 à 1993, et une tentative de préservation sur site, la nacelle et les « ailes » de l’éolienne de Gedser sont démontées. Ces différentes parties sont transportées au musée de l'énergie à Bjerringbro dans le Jutland. Elles seront conservées en attendant d’être restaurées plus de dix années après. Grâce aux démarches des responsables du musée et à l’aide financière accordée de la Power Company E2, la turbine originale de Gedser est, bien qu’incomplète, (deux pales sur trois), de nouveau visible en 2005.

Bien qu’amputée de son aérogénérateur initial et de ses « ailes » d’origine la tour du moulin de Gedser reprend du service dès 1993, à l’initiative de la municipalité et du propriétaire du terrain. Une nouvelle éolienne moderne est installée sur les anciennes fondations et continue de produire de l’électricité aujourd’hui encore.

Résurgence

Dans le domaine des énergies renouvelables, l’éolienne de Gedser est une innovation sur bien des points : rendement énergétique, fiabilité, sécurité. De surcroit, elle a été conçue avant la crise pétrolière des années soixante-dix. Elle fonctionnera pendant 10 ans avant d’être oubliée.

Dès le premier choc pétrolier elle recouvre une nouvelle vie. Son modèle technologique est étudié de près pour servir la construction des éoliennes modernes qui en symbolisent la résurgence.

Résurgence patrimoniale

Le leadership du Danemark dans l’énergie éolienne est lié à l’esprit danois qui a fait naitre l’éolienne de Gedser, son inventeur, mais également ses prédécesseurs et successeurs. L’innovation danoise ce sont l’apprentissage par la recherche systématique, l’expérience pratique et l’interaction dans l’innovation de tous les acteurs et institutions concernés.

L’éolienne de Gedser incarne cette mémoire, cette technique et certainement cette âme. Elle représente la transition entre un type d’énergie et un autre. Aujourd’hui, c’est aussi la lutte pour le maintien d’un symbole culturel, la réponse danoise à la citation célèbre : think global act local. Classée par le ministère de la culture comme un des 108 travaux dans la liste des canons culturels du Danemark, le site n’est pas pour autant protégé. Le propriétaire des lieux milite activement pour sa reconnaissance par l’Unesco et son inscription au patrimoine de l’humanité.

Projection

L’air est au son ce que le son est à la musique, sa substance. Précurseur de la musique, le vent est générateur de son par essence. Si la plupart des instruments de musique traditionnels nécessite un générateur pour produire du son, l’interprète, certains, comme la harpe éolienne, les carillons éoliens ou autres orgues à vent, bénéficient du don de souffle d’Eole. Le défi proposé ici est de convertir l’énergie éolienne produite par la turbine de Gedser en musique en guise de test, - sa fonction première, afin de réaliser, ensuite, une symphonie offshore avec le parc éolien qui pointe à son horizon.

Résurgence artistique