Avec plus de 1 100 térawattheures en 2017, la part de l’énergie éolienne dans la production mondiale d’électricité est loin d’être négligeable, et elle augmente chaque année. Elle provient principalement de « fermes » rassemblant des dizaines, voire des centaines, d’éoliennes sur terre ou sur mer. Mais dans ces fermes, comment placer de façon optimale les éoliennes les unes par rapport aux autres pour obtenir un rendement maximal ? La réponse est loin d’être évidente. En effet, les turbulences qui se forment en aval d’une éolienne peuvent diminuer de moitié le rendement d’une éolienne alignée derrière la première. Johan Meyers, de l’université catholique de Louvain, en Belgique, et ses collègues ont apporté des éléments de réponse à ce problème en reconstituant à échelle réduite un parc éolien dans une soufflerie.

La question de l’optimisation des fermes éoliennes n’est pas récente. Dès la fin des années 1970, les spécialistes de la mécanique des fluides ont mis au point des modèles analytiques. Ils ont montré de façon rigoureuse que la configuration où des rangées d’éoliennes sont alternées avec un décalage entre deux rangées successives était plus performante que des éoliennes alignées. Les simulations numériques permettent d’étudier en détail la dynamique des turbulences et ont apporté des résultats intéressants. Mais en raison du temps de calcul nécessaire, le nombre de configurations des éoliennes devient vite un obstacle. En outre, les simulations décrivent souvent des comportements moyens qui ne permettent pas de voir certaines influences locales des turbulences. Or, en 2014, Sean McTavish, de l’université Carleton, au Canada, et ses collègues ont suggéré que dans certaines configurations resserrées, les éoliennes bénéficient d’interactions positives des turbulences (avec une accélération du flux d’air) qui se traduiraient par un gain de puissance sur l’ensemble de la ferme. Si cet effet a bien été observé en soufflerie avec trois éoliennes miniatures, on ne sait toujours pas dire quelle est la configuration optimale pour une vraie ferme.

Pour des raisons pratiques, la plupart des expériences en souffleries ne comptaient, au plus, que quelques dizaines d’éoliennes miniatures. Johan Meyers et ses collègues ont construit un modèle de ferme rassemblant pas moins de 100 éoliennes miniatures. Celles-ci sont représentées par des disques poreux (5 par rangée, et formant vingt rangées) et 60 sont équipées d’un système qui mesure la pression mécanique exercée par la soufflerie. Cette pression traduit la force du vent qui s’exerce sur l’éolienne et donc la puissance électrique que l’éolienne produira. Les chercheurs ont étudié 56 configurations réparties en trois groupes : le premier utilise un espacement constant entre les différentes rangées d’éoliennes ; le deuxième se caractérise par un motif avec deux rangs rapprochés suivi d’un autre plus éloigné ; et le troisième rassemble des configurations encore plus extrêmes basées sur deux rangs très resserrés suivis d’un autre encore plus distant. Dans chaque groupe, les chercheurs ont ensuite testé différentes configurations avec des éoliennes alignées ou plus ou moins décalées sur deux ou trois rangées. Chaque configuration présente la même densité, c’est-à-dire le même nombre d’éolienne par unité de surface.

Sans surprise, les chercheurs ont observé que les configurations alignées des deux premiers groupes sont moins performantes que les configurations alternées sur deux ou trois rangs. Le motif de la deuxième série n’apporte pas une grande valeur ajoutée comparée à la première série. En revanche, si les configurations alignées du troisième groupe sont les moins performantes de toutes, certaines décalées présentent les meilleures performances. Ce résultat s’expliquerait par l’effet positif dans certains cas des turbulences proposé par Sean McTavish.

Johan Meyers et ses collègues ont aussi analysé comment la production d’énergie évolue des premiers vers les derniers rangs. Dans le premier groupe, les résultats correspondent aux simulations numériques et le rendement dépend peu de la configuration précise. Dans les deux autres groupes, le choix de la configuration est beaucoup plus important. Johan Meyers souligne que « si certaines configurations du troisième groupe sont les plus performantes, ce résultat vaut surtout pour des régions où il existe un vent dominant. » Ces configurations pourraient perdre leur avantage dans des situations où le vent change souvent de direction. L’amplification des turbulences pourrait alors ne plus être aussi efficace. Néanmoins, « rapprocher des éoliennes n’est pas seulement intéressant pour profiter des turbulences, il correspond aussi à une optimisation économique, car ces configurations nécessitent moins surface, moins de câblage, etc. » Ce résultat pourrait donc ouvrir la voie à de nouvelles approches pour concevoir les fermes éoliennes.