Pompe à vent

L'Olifant à Burdaard (Frise).

Les pompes à vent ont été utilisées pour pomper de l'eau depuis au moins le IX^e siècle dans ce qui est aujourd'hui l'Afghanistan, l'Iran et le Pakistan. L’utilisation d’éoliennes s’est généralisée dans le monde musulman, puis en Chine et en Inde[2]. Les moulins à vent ont par la suite été largement utilisés en Europe, notamment aux Pays-Bas et dans la région d’Est-Anglie en Grande-Bretagne, à partir de la fin du Moyen Âge, pour drainer des terres à des fins agricoles ou foncières.

Les travaux de Simon Stevin dans le waterstaet ont consisté à améliorer les écluses et les déversoirs afin de contrôler les inondations. Les moulins à vent (moulin de polder) étaient déjà utilisés pour pomper l'eau, mais dans son ouvrage Van de Molens (À propos des moulins), il a suggéré des améliorations, notamment l'idée que les roues doivent bouger lentement, et un meilleur système pour engrener les dents des engrenages. Ces améliorations ont multiplié par trois l'efficacité des éoliennes utilisées pour pomper l'eau des polders[3]. En 1586, Stevin a obtenu un brevet pour son invention.

Des moulins à vent à huit ou dix pales ont été utilisés dans la Région de Murcie en Espagne pour recueillir l'eau à des fins d'irrigation[4]. Le mouvement du rotor de l'éolienne est transmit dans la tour et à travers le mur pour faire tourner une grande roue appelée noria. La noria supporte une chaîne à godets qui s’enfonçe dans l'eau du puits. Les seaux sont traditionnellement en bois ou en argile. Ces moulins à vent sont restés en service jusque dans les années 1950 et nombre de leurs tours sont encore debout.

Bernard Forest de Bélidor, en 1737, dans son Architecture hydraulique décrit le mécanisme d'une pompe aspirante dont le piston agit par le moyen des ailes d'un moulin à vent[5].

Les premiers immigrants du Nouveau Monde ont apporté d’Europe la technologie des moulins à vent[6]. Dans les fermes américaines, en particulier dans les Grandes Plaines, des pompes à vent ont été utilisées pour pomper l’eau des puits de ferme pour abreuver le bétail. En Californie et dans d’autres États, le moulin à vent faisait partie d’un système autonome d’alimentation en eau domestique, comprenant un puits creusé à la main et un château d’eau constitué d'une tour en bois de séquoias (redwood), soutenant un réservoir de séquoias et enrobé d’un revêtement extérieur (Tankhouse (en)). La pompe à vent de ferme auto-régulée a été inventée par Daniel Halladay (en) en 1854[7]^,[8]. Finalement, des pales en acier et des pylônes en acier ont remplacé la construction en bois et, à leur apogée en 1930, environ 600 000 unités étaient utilisées, avec une capacité équivalente à 150 mégawatts[9]. De très grandes éoliennes en Australie, plus légères, couplent directement le rotor de l’éolienne avec la pompe. Un engrenage arrière supplémentaire entre les petits rotors, pour les zones de grand vent, et la manivelle de la pompe, entravent la course descendante des tiges ; les tiges tombent plus lentement qu'elles ne tomberaient par gravité. En effet, un pompage trop rapide entraînerait le flambage des tiges de pompe, ce qui provoquerait des fuites au niveau du presse-étoupe et une usure de la paroi de la colonne montante (UK: rising main, US: drop-pipe), de sorte que toute puissance serait perdue.

La pompe à vent à aubes multiples ou turbine à vent située au sommet d’une tour en treillis en bois ou en acier est donc devenue, pendant de nombreuses années, un élément essentiel du paysage de l’Amérique rurale. Ces moulins, fabriqués par divers fabricants, comportaient un grand nombre de pales leur permettant de tourner lentement, avec un couple important, par vent modéré et de s'auto-réguler par vent fort. Une boîte à engrenages et un vilebrequin au sommet d'une tour convertissent le mouvement de rotation en mouvements alternatifs, entraînant vers le bas une tige jusqu'au cylindre de pompe situé dessous. Aujourd'hui, la hausse des coûts de l'énergie et l'amélioration de la technologie de pompage suscitent un intérêt croissant pour l'utilisation de cette technologie qui jadis allait déclinant.

Un drainage windmills, moulin de polder en bois dans les Fens du Cambridgeshire au Royaume-Uni.

Une pompe à vent à Goingarijp aux Pays-Bas, Mars 2019.

Les Pays-Bas sont bien connus pour leurs moulins à vent (moulin de polder). La plupart de ces structures emblématiques situées le long des polders sont en réalité des pompes à vent, conçues pour drainer le sol. Celles-ci sont particulièrement importantes car une grande partie du pays se situe sous le niveau de la mer.

Au Royaume-Uni, le terme windpump est rarement utilisé, et les pompes à vent sont mieux connues sous le nom drainage windmills (éoliennes de drainage). Nombre d'entre elles ont été construites dans les Broads et les Fens d'Est-Anglie pour permettre l'assèchement des terrains, mais la plupart d'entre elles ont depuis été remplacées par des pompes à moteur diesel ou électriques. De nombreux moulins à vent d'origine sont dans un état délabré mais certains ont été restaurés.

Les pompes à vent sont largement utilisées en Afrique australe, en Australie et dans les fermes et les ranchs des plaines centrales et du sud-ouest des États-Unis. En Afrique du Sud et en Namibie, des milliers de pompes à vent fonctionnent toujours. Celles-ci sont principalement utilisées pour fournir de l'eau à un usage humain, ainsi qu'à abreuver de grands cheptels de moutons.

Le Kenya a également bénéficié en Afrique des développements technologiques de la pompe à vent. À la fin des années 1970, l’ONG britannique Intermediate Technology Development Group a fourni un appui en ingénierie à la société kényane Bobs Harries Engineering Ltd pour le développement des pompes à vent Kijito. Bobs Harries Engineering Ltd fabrique toujours les pompes à vent Kijito, dont plus de 300 fonctionnent dans toute l'Afrique de l'Est.

Dans de nombreuses régions du monde, une pompe à corde, est utilisée conjointement avec des éoliennes. Cette pompe facile à construire fonctionne en tirant une corde nouée à travers un tuyau (généralement un simple tuyau en PVC), entraînant ainsi le pompage de l'eau dans le tuyau. Ce type de pompe est devenu courant au Nicaragua et ailleurs.

Pour construire une pompe éolienne, le rotor à lames doit être adapté à la pompe. Avec les pompes à vent non électriques, les rotors à lame solides sont mieux utilisés conjointement avec les pompes à déplacement positif (à piston), car les pompes à piston à simple effet nécessitent environ trois fois plus de couple pour démarrer que pour les maintenir en marche. Les rotors à faible solidité, par contre, sont mieux utilisés avec les pompes centrifuges, les échelle à eau (waterladder pump (en)) et les pompes à chaîne et à rondelle, pour lesquelles le couple requis par la pompe pour démarrer est inférieur à celui nécessaire pour fonctionner à la vitesse de conception. Les rotors à faible solidité sont mieux utilisés s'ils sont destinés à entraîner un générateur d'électricité; qui à son tour peut entraîner la pompe[10].

Pompe à eau éolienne à Oak Park Farm (Shedd, Oregon).

Les éoliennes à lames multiples se trouvent dans le monde entier et sont fabriquées aux États-Unis, en Argentine, en Chine, en Nouvelle-Zélande et en Afrique du Sud. Une pompe à vent de 4,8 m de diamètre peut soulever jusqu'à 6 tonnes d'eau par heure jusqu'à une altitude de 30 m avec un vent de 24 à 32 km/h[11]. Cependant, ils ont besoin d’un vent fort pour renverser la manivelle de la pompe à piston. Les pompes éoliennes nécessitent peu d'entretien - en règle générale, il suffit de changer l'huile de boîte à engrenages chaque année[12]. On estime que 60 000 pompes à vent sont encore utilisées aux États-Unis. Ils sont particulièrement intéressants pour une utilisation sur des sites distants où l’alimentation électrique n’est pas disponible et où la maintenance est difficile à fournir.

Une pompe à vent à plusieurs lames commune alimente utilement environ 4 % à 8 % de la puissance éolienne annuelle traversant la zone balayée[13]^,[14] Cette conversion plus faible est due à une mauvaise adaptation de la charge entre les rotors de vent et les pompes à pistons à course fixe.

Bien que les pompes à vent à lames multiples reposent sur une technologie éprouvée et soient largement utilisées, elles présentent les problèmes fondamentaux mentionnés ci-dessus et nécessitent un mécanisme de course variable.