Une éolienne de pompage fournit de l'eau, et non de l'électricité : elle doit donc fonctionner sur la plus grande plage de vent possible et démarrer avec un couple élevé. Le type de pompe qu'elle entraîne (piston, vis, centrifuge ou électrique) décide du nombre de pales et de la vitesse de rotation du rotor. Une pompe à piston impose beaucoup de pales ; une pompe centrifuge en admet moins ; une pompe électrique libère le choix du rotor.

Nous comparons ces quatre familles de pompes, avec leurs avantages et leurs limites. Au sommaire :

• 1 : L'éolienne de pompage et son besoin d'eau
• 2 : Nombre de pales et vitesse spécifique
• 3 : Éolienne et pompe à piston ou à vis
• 4 : Éolienne et pompe centrifuge
• 5 : Éolienne et pompe électrique

1 : L'éolienne de pompage et son besoin d'eau

Les éoliennes de pompage ont pour objectif de fournir de l'eau. Le besoin d'eau est tel que leur objectif diffère légèrement de celui d'une éolienne de production électrique. L'éolienne de pompage doit fonctionner sur la plus grande plage de vent possible, car le site d'implantation n'est plus choisi pour sa rentabilité : nous devons produire de l'eau pendant toute la période sèche, quel que soit le vent.

Il existe plusieurs catégories d'éoliennes de pompage, selon le type de pompe qu'elles actionnent :

• éolienne à pompe à piston ;
• éolienne à pompe à vis ;
• éolienne à pompe centrifuge ;
• éolienne à pompe électrique.

2 : Nombre de pales et vitesse spécifique d'une éolienne de pompage

La vitesse de rotation et le couple de la machine entraînée imposent un nombre de pales adapté. Un faible nombre de pales suffit à capter l'énergie du disque d'hélice seulement si la vitesse de rotation est grande. Si elle est faible, une grande partie du vent traverse l'hélice sans rencontrer les pales. La vitesse spécifique (tip speed ratio) mesure ce rapport : c'est la vitesse en bout de pale divisée par la vitesse du vent.

Le vent apparent selon la vitesse de rotation. En rouge, vitesse de rotation ou nombre de pales trop élevé : les pales se perturbent. En orange, vitesse ou nombre de pales trop faible : du fluide passe sans être utilisé. En vert, l'optimum.

Grandes vitesses spécifiques :

Avantages	Inconvénients
Permet de capter l'énergie avec un faible nombre de pales, donc apporte les avantages du faible nombre de pales : économique en coût de fabrication.	Projection des forces de traînée et de portance moins favorable, ce qui exige des profils de bonne qualité, parfois complexes à réaliser.
La mise en rotation tangentielle du flux en aval de l'hélice révèle l'énergie perdue par le système. À puissance égale (P = couple en N.m × vitesse de rotation en rad/s), une grande vitesse de rotation utilise moins de couple, donc génère moins de pertes.	Couple de démarrage souvent insuffisant pour démarrer à faible vitesse de vent : il faut parfois une assistance de démarrage.
Vitesse de rotation plus proche de celle des génératrices (la génératrice et le réducteur seront moins chers).	Vitesse de rotation et couple inadaptés au pompage.
Faible prise au vent violent, par mise en drapeau.

 

Petites vitesses spécifiques :

Avantages	Inconvénients
Permet d'utiliser des pales de formes simples, économiques en coût de fabrication.	Pour obtenir un bon rendement, il faut beaucoup de pales (plus cher, plus lourd, plus de prise au vent en cas de tempête).
Démarrage même aux faibles vitesses de vent.	La mise en rotation tangentielle du flux en aval de l'hélice révèle l'énergie perdue par le système. À puissance égale (P = couple en N.m × vitesse de rotation en rad/s), une faible vitesse de rotation utilise plus de couple, donc génère plus de pertes.
Vitesse de rotation et couple bien adaptés au pompage.	Vitesse de rotation inadaptée aux génératrices (la génératrice et le réducteur seront plus chers).

3 : Éolienne et pompe à piston ou à vis : un couple de démarrage élevé

Le moindre souffle d'air doit être utilisable, et le couple nécessaire pour manœuvrer une pompe à piston est bien plus élevé que celui d'une génératrice électrique. Pour générer du couple sur l'arbre de l'hélice au démarrage, donc à basse vitesse, il faut utiliser toute l'énergie du vent qui traverse l'hélice.

Une éolienne de pompage à pompe à piston : l'arbre de l'hélice entraîne une bielle, qui actionne par une tige de transmission le piston de la pompe.

Les éoliennes dont le couple de démarrage doit être élevé, comme celles qui actionnent une pompe à piston ou une pompe à vis, doivent donc avoir un nombre de pales élevé.

Une éolienne de pompage multipale classique, avec sa gouverne qui l'oriente face au vent.

Les trois familles côte à côte : pompe à vis et pompe à piston avec un rotor multipale, pompe centrifuge avec un rotor à trois pales.

Les inconvénients d'une éolienne qui actionne une pompe à piston :

• Le prix de revient des pales, qui doivent être nombreuses, augmente le coût du système de pompage.
• Le mouvement alternatif du pompage implique que la vitesse du fluide passe de 0 à un maximum. Ce maximum est bien plus élevé que pour une pompe centrifuge. Il génère des pertes de charge qui peuvent être jusqu'à huit fois plus importantes que pour un pompage à vitesse continue. Ces pertes de charge provoquent des surpressions qui pèsent sur les efforts et la fatigue de la mécanique. Elles forcent des surdimensionnements et entraînent de l'usure.

La puissance d'une hélice d'éolienne augmente avec le cube de la vitesse du vent. Pour capter cette puissance avec efficacité, l'éolienne doit tourner plus vite ; la relation entre vitesse de rotation et puissance augmente donc de manière cubique. Or la pompe à piston est une pompe volumétrique, dont la relation vitesse-puissance est pratiquement proportionnelle, donc linéaire.

L'éolienne et la pompe n'ont ainsi qu'une seule zone de rendement optimal. Dès que cette zone est dépassée, l'éolienne perd beaucoup d'énergie, car sa courbe puissance-vitesse de rotation n'est plus exploitée au mieux.

Courbes de puissance de l'hélice pour les vitesses de vent V1 à V5, et droite de puissance de la pompe volumétrique. La droite coupe chaque courbe loin de son sommet : l'éolienne n'est bien exploitée que pour un seul vent.

4 : Éolienne et pompe centrifuge : moins de pales, courbe adaptable

Les éoliennes de pompage qui actionnent une pompe centrifuge ont un couple de fonctionnement moins élevé : le nombre de pales peut donc diminuer.

Une éolienne à pompe centrifuge : un multiplicateur à pignons accélère la rotation de l'arbre d'hélice, que l'arbre de transmission amène jusqu'à la pompe.

De plus, la courbe vitesse-puissance de la pompe centrifuge peut être adaptée, lors de la construction, à celle de l'éolienne.

Courbes de l'éolienne pour des vents de 4 à 7 m/s et courbe de la pompe centrifuge, adaptée pour passer près du sommet de chaque courbe : le rotor reste proche de son meilleur rendement à chaque vitesse de vent.

5 : Éolienne et pompe électrique : dissocier la production et le pompage

Coupler un système de pompe électrique à une éolienne de production d'électricité est une solution intéressante, qui présente plusieurs avantages :

• Nous pouvons délocaliser la production d'électricité par rapport au lieu de pompage : l'éolienne se monte sur un relief ventilé, et l'électricité est conduite jusqu'à la pompe, disposée au niveau de l'eau.
• La pompe peut se placer au fond du puits. Elle permet ainsi de pomper à plus de 8 mètres de profondeur, ce qui était parfois inaccessible avec les autres éoliennes.
• La production d'électricité peut servir à d'autres appareils électriques.

Un kit d'éolienne de pompage électrique : une éolienne tripale de production, complétée ici par un panneau solaire.

Pour aller plus loin, nous pouvons chiffrer l'énergie d'une éolienne selon la vitesse du vent, calculer la puissance du vent disponible sur votre site, ou étudier la technique des hélices d'éoliennes pour dessiner un rotor adapté à votre pompe.