Pour atteindre les objectifs en matière d’énergie renouvelable, le secteur éolien explore des conceptions de rotor comme le X-Rotor pour favoriser le développement.
L’énergie solaire a été à l’avant-garde de la transition énergétique, mais l’énergie éolienne joue un rôle de plus en plus important dans l’effort collectif pour parvenir à des émissions de carbone nulles. Bien que le secteur de l’énergie éolienne soit en croissance, une innovation radicale est nécessaire pour surmonter les obstacles liés aux pénuries de chaîne d’approvisionnement, aux défis de transport des tours de turbines et aux difficultés de maintenance associées aux parcs éoliens offshore qui opèrent dans des environnements maritimes difficiles.
La réévaluation des matériaux utilisés pour fabriquer les éoliennes et la conception des composants peuvent aider le secteur éolien à faire le bond nécessaire pour atteindre les objectifs imminents en matière d’énergie renouvelable. Plus tôt cette année, Modvion, une entreprise d’ingénierie suédoise, a lancé la première éolienne en bois commercialement viable pour aider à surmonter les pénuries d’acier et les défis liés au transport. Maintenant, les ingénieurs explorent des conceptions de turbine plus complexes, notamment un rotor en forme de X combinant des rotors verticaux et horizontaux.
Rendu du prototype X-Rotor. Image utilisée avec l’aimable autorisation de X-Rotor
La nécessité impérative d’une croissance de l’énergie éolienne et les défis logistiques liés aux turbulences
Le réseau électrique sera de plus en plus sollicité à mesure que la technologie des énergies renouvelables se développe au cours des prochaines décennies. Toutes les sources d’énergie renouvelable, y compris le secteur de l’énergie éolienne, doivent se développer pour accompagner cette croissance. L’Union européenne s’est fixé un objectif de réduction des émissions de 55 % d’ici 2030. Pour atteindre cet objectif, la part des énergies renouvelables sur le marché de l’énergie doit passer de 23 % à 42,5 %.
Aux États-Unis, le Bureau des technologies de l’énergie éolienne du Département de l’énergie (DOE) a déterminé que l’énergie éolienne contribue actuellement à hauteur d’environ 10 % de la puissance totale du réseau et note que sa croissance doit répondre aux demandes prévues.
À mesure que le secteur éolien se développe, les tours de turbines deviennent de plus en plus hautes, les pales deviennent plus grandes et les parcs éoliens s’étendent sur des espaces plus vastes. Les limitations liées à la topographie impactent la circulation du vent, de sorte que les parcs éoliens ne peuvent pas être facilement aménagés dans n’importe quelle région.
Variations géographiques de la vitesse du vent. Image utilisée avec l’aimable autorisation du National Renewable Energy Laboratory
Dans certains endroits comme les environnements océaniques difficiles, la maintenance devient beaucoup plus difficile à mesure que la taille des parcs éoliens augmente.
Une partie de ce qui contribue à l’extension des parcs éoliens est la logistique associée aux turbulences. Chaque turbine produit une traînée derrière elle qui peut facilement ralentir et perturber la productivité de toute turbine à proximité, et cet impact est significatif. Les performances d’une éolienne peuvent être réduites jusqu’à 40 % si la traînée d’une autre turbine l’impacte.
La traînée créée par une turbine est principalement due à son axe, et la plupart des turbines commerciales en fonctionnement sont des éoliennes à axe horizontal. L’expérimentation avec des éoliennes à axe vertical (VAWT) et peut-être même des modèles hybrides pourrait être la voie la plus innovante vers l’avenir de l’énergie éolienne, notamment compte tenu de la croissance des parcs éoliens offshore et de la capacité des conceptions hybrides à répondre aux défis uniques des environnements maritimes.
Comment une conception de rotor innovante peut optimiser la logistique spatiale et améliorer les performances
Deux professeurs de l’Université de Strathclyde à Glasgow développent une conception innovante de rotor hybride en capitalisant sur les avantages des axes horizontal et vertical. Cette conception, le X-Rotor, vise à réduire les coûts d’énergie en combinant une configuration unique de VAWT avec un système d’extraction secondaire de puissance par rotor, ce qui pourrait permettre de réduire les coûts d’exploitation et de maintenance jusqu’à 55 % et les coûts en capital jusqu’à 32 %, ce qui pourrait entraîner des économies de coûts énergétiques allant jusqu’à 26 %.
Version préliminaire d’une éolienne à rotor en V. Image utilisée avec l’aimable autorisation de ResearchGate
Le rotor principal du X-Rotor présente une configuration en double V, ce qui maximise la surface balayée et minimise le moment de renversement – un problème courant avec les rotors en V. Cette conception offre également des points d’attache pour les rotors secondaires, qui sont des mécanismes d’extraction de puissance remplaçant les entraînements classiques. Cette approche innovante permet d’éviter les fluctuations de couple et les défis associés aux entraînements basse vitesse/haute couple inhérents aux conceptions VAWT traditionnelles.
Le X-Rotor est encore à l’étape de la simulation, de la recherche et du développement, donc aucun modèle construit ou disponible commercialement n’existe. Cependant, cette recherche offre une promesse significative quant à la façon dont les innovations de conception des composants des éoliennes peuvent faire progresser l’ensemble du secteur.