O guia da pequena energia eólica

A França teria em 2009 mais de 650 pequenas turbinas eólicas. Seja você um indivíduo ou à frente de uma empresa, talvez esteja considerando produzir sua própria eletricidade. Com uma faixa de potência de 100 watts a 30 kilowatts (classificação Ademe), o pequeno eólico é uma solução a considerar. No entanto, é preciso fazer as perguntas certas, respondê-las, é claro... e na ordem certa!

Introdução

Captar a energia do vento é simples na teoria, mas mais complexo na prática. De fato, Eolo, o deus dos ventos, tem um mau hábito: ele muda frequentemente de humor e às vezes se irrita. No entanto, uma turbina eólica deve produzir eletricidade em uma ampla faixa de velocidades de vento e resistir a rajadas fortes. Além disso, sua longevidade e confiabilidade condicionam o retorno sobre o investimento. A escolha do equipamento é, portanto, particularmente importante. Embora seja possível adquirir e montar sozinho uma instalação de baixa potência, a implementação de um aerogerador de mais de 5 kW requer a intervenção de profissionais. O instalador estudará as necessidades e o vento, determinará a melhor solução com base no orçamento e na rentabilidade do projeto, e cuidará dos trâmites administrativos, às vezes trabalhosos.
Este guia tem como objetivo permitir que você refine seu projeto e lhe dê as chaves para dialogar "em pé de igualdade" com os profissionais do setor.

Elegibilidade do local

Antes de começar, é importante garantir a viabilidade do projeto e seus limites em dois aspectos:

• O recurso é suficiente? Em outras palavras: o vento sopra com frequência e força suficientes?
• O que tenho permissão para instalar no local previsto?

O estudo do vento

A presença de um antigo moinho de vento próximo ao terreno parece um bom presságio... Melhor ainda, se turbinas eólicas já foram erguidas no mesmo setor, é porque há potencial. Na realidade, não é tão certo!
A Ademe oferece em seu site um mapa da França dos recursos de vento. As antenas regionais da agência fornecem até mapas locais mais precisos (ver exemplo em Pays de Loire). Útil, mas insuficiente para tomar uma
decisão, especialmente porque as medições são feitas entre 50 e 60 metros de altura.

Resultado: para garantir seu projeto, é melhor realizar um estudo de vento.

As agências departamentais da Météo France comercializam "rosas dos ventos" que permitem visualizar a direção e a intensidade média dos ventos em um período determinado, que vai de uma semana a vários anos, para uma estação meteorológica específica. Por 38 € sem impostos (tarifa de 2009), obtêm-se assim dados primordiais, mas ainda insuficientes. De fato, a menos que você more a poucos metros da estação, o terreno em questão não oferece necessariamente o mesmo vento, pois sofre os efeitos do relevo, da vegetação e das construções vizinhas. Portanto, é necessário realizar uma medição in situ por um período o mais longo possível, e idealmente em diferentes alturas. Esta medição do vento é feita com um anemômetro e uma biruta colocados em um mastro e conectados a um dispositivo eletrônico registrador (o "logger"). A rosa dos ventos de cada altura de medição é então comparada à da estação meteorológica para o mesmo período. Deduz-se um "coeficiente de correlação" entre a estação e o terreno em questão. A aplicação deste coeficiente a uma rosa dos ventos da Météo France ao longo de vários anos dá uma boa indicação do potencial de vento.
A realização de um estudo de vento prévio à instalação de pequenas turbinas eólicas custa, dependendo de sua complexidade, duração e precisão, entre 600 € sem impostos (1 mês a 12 metros, estudo básico) e 5000 € sem impostos (3 meses a 30 metros, estudo aprofundado). Um valor às vezes reembolsado pelo instalador em caso de pedido. O aluguel de um anemômetro registrador é cobrado entre 500 e 1000 € / mês.

Elementos regulamentares

Os trâmites administrativos podem ser complicados e, sobretudo, demorados. O ideal é confiar essa tarefa ao instalador.

A autorização de construção

A importância de medir o potencial de vento em várias alturas faz todo sentido do ponto de vista regulamentar. De fato, nenhuma formalidade é oficialmente necessária para erguer uma turbina eólica de menos de doze metros (excluindo as pás). Mais precisamente, "são dispensadas de qualquer formalidade sob este código, devido à sua natureza ou à sua muito baixa importância, exceto quando implantadas em um setor protegido cujo perímetro foi delimitado ou em um local classificado: as turbinas eólicas cuja altura do mastro e da nacela acima do solo é inferior a doze metros" Artigo R421-2 do Código de Urbanismo.

Na prática, a maioria dos municípios exige uma declaração prévia de obras para turbinas eólicas de menos de doze metros. Se o terreno estiver próximo a um local classificado, a consulta do plano de servidões, anexo ao Plano de Ocupação do Solo (POS) ou ao Plano Local de Urbanismo (PLU), permite conhecer o perímetro protegido. Um município pode, aliás, proibir a implantação de turbinas eólicas, mesmo fora de qualquer local protegido, indicando claramente isso em seu PLU ou POS. A verificar na prefeitura... Claro que não se pode pensar em implantar uma turbina eólica à beira da praia (faixa dos 100 metros, Lei do Litoral).

Além disso, o município pode se opor a um projeto de turbina eólica, se considerar que incômodos muito significativos seriam infligidos aos vizinhos do candidato à produção de energia. É melhor, portanto, se entender bem com os vizinhos antes de embarcar em tal projeto... ou com o prefeito!

E, claro, esperar um mês após a declaração de obras antes de iniciá-las. Para turbinas eólicas com mais de doze metros, é obrigatório um alvará de construção (assim como um relatório de impacto, se medir menos de cinquenta metros, caso mais frequente para pequenas turbinas eólicas)

Nos municípios sem PLU (portanto, ainda sob o regime dos POS), o alvará de construção é apresentado ao prefeito. Nos municípios com PLU, ou quando a turbina eólica está prevista para ser usada em modo de autoconsumo, o alvará de construção é emitido pelo prefeito. O exame do alvará de construção deve levar dois meses. Na realidade, geralmente é necessário esperar cerca de dez meses para obter o precioso documento.

A autorização para produzir eletricidade
As pequenas turbinas eólicas estão sujeitas a uma declaração junto à direção de energia (DGEC) do Ministério da Ecologia. Este procedimento pode ser realizado online no site AMPERE.

A autorização para conectar a turbina eólica à rede
Ela não se aplica a instalações em "site isolado", ou seja, não conectadas à rede. No entanto, assim que o edifício a ser alimentado estiver conectado à rede, mesmo que toda a produção seja autoconsumida, é necessário um pedido de conexão. O pedido é feito junto à Enedis (ex-ERDF), mais especificamente ao serviço ARD da região em questão.

A autorização para vender sua eletricidade
Para poder vender seu excesso de eletricidade a um operador (EDF, Poweo, Direct Energie...), são necessárias outras etapas.

• Se a instalação estiver dentro de uma ZDE (Zona de Desenvolvimento Eólico), o produtor se beneficia da "tarifa de compra". Isso significa que toda a eletricidade que ele produz é subsidiada, ou seja, comprada pela EDF a uma tarifa superior à sua própria tarifa de venda. Em 1º de setembro de 2009, essa tarifa de compra era de 8,2 c€/kWh. Ela é decrescente de acordo com a antiguidade da instalação e sua produtividade. A produção eólica será subsidiada para projetos realizados até 2012 no mínimo, e por um período máximo de quinze anos.

Para se beneficiar da tarifa de compra, não basta que a turbina eólica esteja em uma ZDE. Primeiro, é necessário solicitar um "certificado que dá direito à obrigação de compra" (CODEA) junto à DRIRE local (Direção Regional da Indústria, Pesquisa e Meio Ambiente). Depois, finalmente, fazer um pedido de contrato de compra junto à EDF ou outro operador, se for o caso.

• Se a instalação não estiver em uma ZDE, é possível vender o excedente ou toda a sua produção diretamente a um fornecedor de eletricidade aprovado pela RTE (gestor da Rede de Transporte de Eletricidade) chamado "responsável pelo equilíbrio". Vários operadores já oferecem esse serviço, incluindo Poweo, Direct Energie ou Enercoop (lista completa no site da RTE).

O preço de recompra oferecido por essas empresas varia entre 4 cts e 8 cts de euro sem impostos por kWh (geralmente indexado aos preços da bolsa europeia de eletricidade PowerNext). Interessante para uma empresa que recupera o IVA sobre suas compras de eletricidade. Muito menos para um particular, que de fato, paga com impostos incluídos, mas vende sem impostos...

A proibição de fazer barulho
Resta a questão do barulho. O Código de Saúde Pública não prevê uma distância mínima a ser respeitada. No entanto, dispõe que a exposição sonora adicional (emergência sonora) das habitações vizinhas não deve exceder três decibéis à noite e cinco decibéis durante o dia (medidas feitas no exterior).

A declaração de obras na prática

(extrato do recibo de depósito de uma declaração prévia)

Você apresentou uma declaração prévia para obras ou arranjos não sujeitos a alvará. O prazo de instrução do seu dossiê é de um mês e, se você não receber correspondência da administração nesse prazo, você se beneficiará de uma decisão de não oposição a essas obras ou arranjos.
No entanto, no mês seguinte ao depósito do seu dossiê, a administração pode lhe escrever:

• ou para avisá-lo de que outro prazo é aplicável, quando o código de urbanismo o prevê para permitir as consultas necessárias (se o seu projeto exigir a consulta de outros serviços...);
• ou para informá-lo de que falta uma ou mais peças no seu dossiê;

• Se você receber tal carta antes do final do mês seguinte ao depósito da sua declaração, ela substituirá o presente recibo.
• Se você não tiver recebido nada até o final do mês seguinte ao depósito da sua declaração, poderá iniciar as obras após:

• ter afixado no terreno este recibo no qual a prefeitura colocou seu carimbo para atestar a data de depósito;
• ter instalado no terreno, durante toda a duração da obra, um painel visível da via pública descrevendo o projeto. Você encontrará o modelo de painel na prefeitura, no site de urbanismo do governo, bem como na maioria das lojas de materiais.

Atenção: a decisão de não oposição só é definitiva na ausência de recurso. De fato, no prazo de dois meses a partir de sua afixação no terreno, sua legalidade pode ser contestada por um terceiro perante o tribunal administrativo. Nesse caso, o autor do recurso é obrigado a informá-lo no máximo quinze dias após o depósito do recurso.

Definir suas necessidades

Alguns sonham em cancelar a assinatura da EDF por desafio. Os mais ecológicos não se importam com a rentabilidade. Outros buscam um retorno rápido sobre o investimento, mesmo que isso signifique pagar mais caro. Os mais razoáveis desejam reduzir sua conta. Os mais ambiciosos querem eliminá-la completamente graças à sua produção excedente. Alguns empreendedores valorizam a comunicação positiva trazida pela presença visível de uma turbina eólica em sua fábrica... Infelizmente, a realização simultânea de todos esses objetivos, no estado atual das coisas, permanece impossível. Uma escolha é necessária.

Eólica de bombeamento

Ainda se encontram no mercado turbinas eólicas multipás totalmente mecânicas e conectadas a uma bomba de água. Elas permitem explorar um poço muito distante de uma fonte de energia para ser equipado com uma bomba elétrica. Muito sólidas, as mais potentes aspiram entre 500 e 1500 litros/hora e têm uma vida útil de 50 anos.

Elementos técnicos que influenciam a escolha

Elementos gerais sobre o desempenho

De maneira geral, a faixa de vento que permite girar uma turbina eólica varia de 15 km/h a menos de 100 km/h. Acima disso, um sistema de segurança aciona a parada do rotor por razões de segurança. Para um mesmo local, obtêm-se melhores desempenhos colocando a turbina eólica o mais alto possível. Colocando a nacela a
25 metros de altura em vez de 12 metros, a quantidade adicional de vento quase sempre compensará a instalação de um mastro mais longo. Ainda é preciso estar disposto a passar pelo processo de obtenção de uma licença de construção.

De acordo com a RTE, no ano de 2007, a produtividade mensal das instalações eólicas variou de 10% a 35% (energia efetivamente produzida em relação à energia máxima teoricamente produzível), com um valor médio anual de 24%. Consequentemente, para pequenas turbinas eólicas, geralmente não se deve esperar uma duração de produção anual superior a 2000 horas. Outro cálculo, uma turbina eólica de um kW produzirá a cada mês entre 70 e 255 kWh e sua produção anual atingirá no máximo 2000 kWh.

Neste ponto, é necessário definir mais precisamente o conceito de potência para uma turbina eólica. O número geralmente indicado pelo fabricante é a potência nominal, ou seja, aquela para a qual seu rendimento é mais alto (energia recebida / energia recuperada). De fato, a potência realmente fornecida pela turbina eólica depende da velocidade do vento.
A potência máxima é chamada de potência de pico. Uma turbina eólica de 2 kW de potência nominal pode assim produzir 3 kW no máximo por um período razoável.

Portanto, é importante verificar se a potência indicada é realmente a potência nominal, e não a potência de pico. Além disso, um erro comum é escolher um modelo com base em seu desempenho em baixa velocidade, esperando assim uma produção mais frequente. Infelizmente, ventos inferiores a 3 m/s (10,8 km/h) geram muito pouca energia. O desempenho entre 5 e 15 m/s é muito discriminante. Para os "matemáticos": na sua fase ascendente, a potência aumenta com o cubo da velocidade do vento...

Vertical ou horizontal?

A quase totalidade das turbinas eólicas é composta por uma hélice girando em um eixo horizontal. Os primeiros modelos de turbinas eólicas de eixo vertical surgiram nos anos trinta e não decolaram devido ao seu baixo rendimento e a restrições técnicas bloqueadoras – os modelos Darrieus originais, por exemplo, precisavam ser iniciados para começar a funcionar. Nos últimos anos, novos modelos (e muitos projetos) de pequenas turbinas eólicas de eixo vertical têm surgido, que devem resolver as fraquezas de suas antecessoras.

Uma oferta abundante

Assim, é possível instalar uma turbina eólica de eixo vertical se o local oferecer ventos particularmente turbulentos: ambiente urbano, impossibilidade de instalar um mastro, instalação em um edifício. Para outros casos, um modelo clássico colocado suficientemente alto oferecerá o melhor desempenho e um retorno sobre o investimento mais rápido.

Os diferentes tipos de suportes

Os mastros estaiados têm a vantagem de serem os menos caros, mas a desvantagem de ocuparem muito espaço (cerca de 12 m2 para uma turbina eólica de 2 kW). Os mastros tubulares autoportantes são não apenas muito mais resistentes ao longo do tempo, mas também suportam turbinas muito mais pesadas e, portanto, mais potentes. Eles também são apreciados por sua estética semelhante à das grandes turbinas eólicas.

As pás

As pequenas turbinas eólicas giram rapidamente. A velocidade linear na ponta da pá de uma turbina eólica de três pás atinge 250 km/h (ou seja, 250 a 400 rotações por minuto, dependendo do comprimento das pás). As restrições mecânicas associadas a essas velocidades agora são bem controladas pela maioria dos fabricantes.

Quatro materiais são utilizados:

• madeira maciça e madeira laminada colada: essencialmente reservada para auto-construtores.
• o alumínio: praticamente não é mais utilizado, pois resiste mal à fadiga mecânica e acaba por romper
• os materiais compósitos: utilizados por todos os fabricantes sérios.

Quanto ao tamanho: quanto mais longa for uma pá, mais potente ela é, mas maior é a velocidade na ponta da pá, e portanto, mais barulhenta ela é.

Quanto ao número: quanto mais pás houver, mais a turbina eólica começará a funcionar com um vento fraco, mas será menos potente... e também mais cara. Portanto, é necessário encontrar um compromisso entre o comprimento e o número de pás para obter o desempenho desejado. A escolha será feita entre uma (tecnicamente possível, mas rara) e oito pás, dependendo do estudo do vento e das necessidades do projeto. Várias empresas e laboratórios de pesquisa estão trabalhando em novas formas de pás. A WhalePower, por exemplo, lançou um projeto copiando a forma particular das nadadeiras das baleias. O Comptoir Eolien já oferece turbinas eólicas com três pás cônicas.

As pás das pequenas turbinas eólicas são geralmente de "passo fixo", o que significa que a incidência da pá em relação ao plano da hélice é constante. Um sistema de "passo variável" é muito mais eficiente, pois se comporta de certa forma como uma caixa de câmbio, mas também é muito mais caro. Um passo variável permite ainda colocar a hélice em bandeira para proteger a turbina eólica de ventos fortes (as pás são orientadas de forma que sua sustentação seja nula, enquanto o rotor permanece voltado para o vento).

Orientação

Não é necessário especificar que uma turbina eólica é mais eficiente quando está bem orientada em relação ao vento.
Três soluções técnicas permitem a orientação:

• Sistema livre com hélice a sotavento: O vento encontra primeiro a nacela, que atua como leme, e depois atinge as pás. É o sistema mais simples, mas gera turbulências imediatas prejudiciais ao desempenho.

• Sistema livre com hélice a barlavento: É o sistema mais comum para pequenas potências. Um leme colocado atrás da nacela posiciona a hélice perpendicularmente ao vento, como uma biruta. Os sistemas livres (a sotavento ou a barlavento) são mais baratos, mas exigem a instalação de um amortecedor para evitar que a turbina eólica acelere em caso de ventos turbulentos.

• Orientação motorizada: Uma biruta e um anemômetro controlam a orientação do rotor através de um motor elétrico. Este sistema permite mudar a orientação da hélice apenas se o vento tiver mudado de direção de forma duradoura. Assim, otimiza-se a produtividade. Ele também permite proteger a turbina eólica em caso de ventos fortes. Este tipo de sistema é reservado para as turbinas eólicas mais potentes do pequeno eólico (a partir de 10kW).

As turbinas eólicas de eixo vertical, sendo por natureza omnidirecionais, não necessitam de nenhum sistema de orientação.

Resistência a ventos fortes e regulação

Algumas turbinas eólicas são capazes de suportar ventos de quase 200 km/h. A maioria, no entanto, não atinge velocidades chamadas de "sobrevivência" tão elevadas. Portanto, elas são equipadas com sistemas que permitem subtrair o rotor da força do vento. As turbinas eólicas com orientação motorizada posicionam o rotor paralelamente ao vento para protegê-lo ou usam um freio. As que possuem ajuste de
pás variável se colocam em bandeira. As menos sofisticadas usam um sistema mecânico de desvio (o rotor gira em um eixo puxando uma mola para se posicionar paralelamente ao vento)
ou um sistema de frenagem automática mecânica. As turbinas eólicas de eixo vertical beneficiam-se por construção do "descolamento dinâmico" das pás, não necessitando de nenhum sistema de desvio de ventos fortes.

Gerador e multiplicação

O gerador tem a função de transformar o movimento de rotação do eixo em eletricidade. Para a gama de potência do pequeno eólico, geralmente trata-se de um alternador síncrono com ímã permanente. A intensidade e a frequência da corrente produzida pelo alternador variam em função da velocidade de rotação do rotor. Portanto, a eletricidade de saída deve ser regulada para ser utilizável. Esta regulação é feita por um inversor. Os rotores cuja velocidade de rotação é muito baixa para acionar diretamente um alternador clássico são acompanhados de um multiplicador, uma espécie de caixa de câmbio. Este elemento é geralmente o elo fraco da instalação, pois sofre esforços mecânicos elevados e constantes.

Baterias

Praticamente indispensáveis para locais isolados, as baterias complicam seriamente a rentabilidade
da instalação. O critério de escolha está na capacidade de armazenamento de energia da bateria. Rigorosamente, essa capacidade é medida em ampères-hora, no entanto, muitas vezes é mais fácil expressá-la
em forma de potência produzida em uma hora pela sua turbina eólica, portanto em kWh. Uma bateria capaz de armazenar 1000 Wh (ou seja, 1 kWh) poderá assim conservar o equivalente a uma hora de vento à velocidade nominal para uma turbina eólica de um kW. Calcule 150 € sem impostos por kWh para baterias de chumbo, o dobro
para NiCad. Sua vida útil varia entre 10 e 15 anos para os modelos de chumbo e 20 a 25 anos para os mais modernos.

Um pouco de física Lembre-se que P=UI!
Para determinar a possibilidade de armazenamento de uma bateria em kWh, multiplica-se sua tensão (12v-24v…) por sua capacidade em ampères-hora (100 ah, por exemplo). Assim, uma bateria de 24 V cuja capacidade nominal é de 150 ah permite armazenar 150 x 24 = 3600 Wh = 3,6 kWh = 3h36' de produção de uma turbina eólica de um kW.

Manutenção

Alguns modelos de baixa potência são apresentados como potencialmente isentos de manutenção. No entanto, independentemente de sua potência, uma manutenção anual é indispensável para otimizar a vida útil da turbina eólica. A manutenção preventiva é geralmente anual. Substituição de óleos, lubrificação, verificação de apertos... Prever entre 200 e 1000 € sem impostos, dependendo da potência e um dia de interrupção. A operação mobiliza duas a três pessoas.

Quanto à manutenção corretiva, é importante saber que, após dez anos, surgem problemas de fadiga dos materiais e desgaste, especialmente nas áreas onde os ventos são mais turbulentos. O proprietário estará sujeito a operações de substituição ou reparo das pás, substituição ou reforma do alternador, do multiplicador. Os raios também são uma fonte frequente de falhas elétricas.

As turbinas eólicas são geralmente garantidas por dois anos, às vezes três. Quanto às baterias, a garantia raramente ultrapassa um ano.

Faixas de preço

Uma pequena turbina eólica geralmente custa com a instalação entre 3.000 e 90.000 € sem impostos, dependendo de sua potência. O preço por kW instalado cai rapidamente com a potência total do equipamento. Se as finanças permitirem, é mais fácil rentabilizar uma turbina eólica que apresenta o melhor desempenho possível para as condições de vento e terreno disponíveis.

Glossário

• Anemômetro: Aparelho de medição da velocidade do vento.

• Turbina eólica de eixo horizontal: Turbina eólica cujo eixo do rotor é horizontal. O plano da hélice é, portanto, vertical. É a forma escolhida para grandes turbinas e a mais comum em pequenas turbinas.

• Turbina eólica de eixo vertical: Turbina eólica cujo eixo do rotor é vertical. O plano da hélice é, portanto, horizontal. Este tipo de turbina concentra atualmente uma grande parte dos esforços de pesquisa.

• Turbina eólica tipo Darrieus: Turbina eólica vertical concebida em 1931 pelo engenheiro francês Georges Darrieus (24 de setembro de 1888 - 15 de julho de 1979). Foi construída até 1997 pela FloWind.

• Turbina eólica tipo Savonius: Turbina eólica vertical composta por dois ou mais baldes (semiesfera ou semicilindro).

• Gerador (aerogerador): Alternador ou dínamo cuja função é transformar a rotação do eixo do rotor em eletricidade.

• Inversor / Retificador: Sistema de regulação da corrente irregular produzida por uma turbina eólica para permitir seu uso doméstico ou sua injeção na rede.

• Pequena turbina eólica: Instalação de turbinas eólicas que produzem eletricidade com potência nominal entre 1 e 30 quilowatts. Abaixo de 1 kW, fala-se de microturbina eólica.

• Potência nominal de uma pequena turbina eólica: Potência para a qual seu rendimento é mais alto (energia recebida / energia recuperada). A potência nominal de uma turbina eólica é, portanto, dada para uma faixa de velocidade do vento.

• Conexão à rede elétrica: A turbina eólica depende do vento, por isso é necessária uma conexão à rede elétrica. Isso também permite vender toda ou parte da produção elétrica da turbina eólica. Para pequenas turbinas e até 36 kW, a conexão é feita na rede de baixa tensão gerida pela Enedis (ex-ERDF) (Electricité Réseau Distribution France).

• Variação de potência de uma pequena turbina eólica: A potência de uma turbina eólica depende da velocidade do vento e varia com seu cubo. Por exemplo, uma turbina eólica que produz 2 kW a 4 m/s, produzirá 8 kW a 8 m/s.

• ZDE (Zonas de Desenvolvimento da Energia Eólica): Locais de tamanho variável nos quais qualquer turbina eólica instalada beneficia de um subsídio de operação na forma de uma tarifa de compra preferencial de sua produção pela EDF.