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Les éoliennes abandonnent leurs engrenages
Les fabricants d'éoliennes se détournent des boîtes de vitesses et des générateurs standard de l'industrie dans le but d'améliorer la fiabilité et de réduire le coût de l'énergie éolienne.
Anneau de puissance : Cette éolienne de trois mégawatts utilise des aimants permanents et une conception qui la rend nettement plus légère qu'une turbine à engrenages conventionnelle.
Siemens a commencé à vendre une turbine de trois mégawatts utilisant un système dit à entraînement direct qui remplace la génératrice conventionnelle à grande vitesse par une génératrice à basse vitesse qui élimine le besoin d'une boîte de vitesses. Et le mois dernier, General Electric a annoncé un investissement de 340 millions d'euros dans des installations de fabrication pour construire ses propres turbines à entraînement direct de quatre mégawatts pour les parcs éoliens offshore.
La plupart des observateurs disent que le passage de l'industrie à la transmission directe est une réponse aux pannes de boîte de vitesses très médiatisées. Mais Henrik Stiesdal, directeur de la technologie de l'unité éolienne de Siemens, affirme que les problèmes de boîte de vitesses sont exagérés. Il dit que Siemens adopte l'entraînement direct comme moyen de générer plus d'énergie à moindre coût. Les turbines peuvent être rendues plus compétitives grâce à l'entraînement direct, explique Stiesdal.
Les plans de Siemens reposent sur une nouvelle conception qui réduit le poids du générateur du système. Dans les éoliennes conventionnelles, la boîte de vitesses augmente la vitesse du rotor entraîné par le vent plusieurs centaines de fois, ce qui réduit radicalement la taille du générateur requis. Les générateurs à entraînement direct fonctionnent à la même vitesse que les aubes de la turbine et doivent donc être beaucoup plus gros - plus de quatre mètres de diamètre pour la turbine de trois mégawatts de Siemens. Pourtant, Siemens affirme que l'ensemble de la nacelle de la turbine ne pèse que 73 tonnes métriques, soit 12 tonnes de moins que celle de ses turbines moins puissantes de 2,3 mégawatts à engrenages.
Une grande partie de la réduction de poids provient de l'utilisation d'aimants permanents dans le rotor des générateurs, une astuce que GE utilise également. Les générateurs à turbine conventionnels utilisent des électro-aimants - des bobines de cuivre alimentées en électricité par le générateur lui-même. Henk Polinder, expert en générateurs à aimants permanents chez Holland Université de technologie de Delft , dit qu'un segment d'aimants permanents de 15 millimètres d'épaisseur peut générer le même champ magnétique qu'une section de 10 à 15 centimètres de bobines de cuivre.
Stiesdal dit que Siemens a encore réduit le poids en inversant la conception de son générateur. Plutôt qu'un rotor en acier recouvert d'aimants permanents tournant à l'intérieur d'un stator stationnaire en forme de beignet (la conception que GE utilise dans sa turbine à entraînement direct de quatre mégawatts), le rotor de Siemens est un cylindre en acier avec des aimants permanents à l'intérieur, et ce rotor tourne autour d'un stator en forme de colonne.
Siemens a érigé un prototype de sa machine à Brande, au Danemark, en décembre et prévoit d'en installer 10 autres cette année, principalement au Danemark, avant de commencer la production en série en 2011. La technologie de GE, qu'elle a acquise avec le rachat du producteur norvégien de turbines ScanWind l'année dernière , fait l'objet d'une démonstration sur un site d'essai en Norvège ; la commercialisation de sa machine de quatre mégawatts est prévue pour 2012.
Plus de concurrence est en route. La société de capital-risque New Enterprise Associates soutient une startup basée à Boulder, CO appelée Énergie éolienne de rocher , qui développe une turbine à entraînement direct de 1,5 mégawatt. La société a été fondée en décembre par Sandy Butterfield, qui était ingénieur en chef du centre de technologie éolienne du National Renewable Energy Laboratory (NREL) des États-Unis, où il a dirigé une étude majeure du processus de conception des boîtes de vitesses.
La question de savoir si les défaillances des boîtes de vitesses sont un problème à l'échelle de l'industrie reste un sujet de controverse. NREL a initié son étude en 2007, lorsqu'il y a eu plusieurs échecs : une entreprise basée aux États-Unis, Clipper énergie éolienne , a connu de graves problèmes de boîte de vitesses quelques mois après l'installation de la première de ses turbines de 2,5 mégawatts dans un parc éolien à Lackawanna, dans l'État de New York, tandis que les boîtes de vitesses des 30 turbines Vestas Wind Systems formant le parc éolien offshore britannique de Kentish Flats ont dû être remplacées après seulement deux ans de fonctionnement. Le NREL a conclu que la plupart des réducteurs d'éoliennes tomberaient en panne bien avant leur durée de vie de 20 ans.
Stiesdal dit que les propres études de Siemens montrent que les boîtes de vitesses sont assez fiables, dans l'ensemble. Une analyse de 2008 des machines Siemens installées de 1983 à 1989 aux États-Unis a révélé que la grande majorité fonctionnait toujours avec leurs boîtes de vitesses d'origine. Mais il s'attend à une fiabilité accrue du système à entraînement direct, qui comporte environ la moitié moins de pièces qu'une turbine conventionnelle.
Les systèmes à entraînement direct introduisent cependant un problème potentiel. Des inquiétudes persistent quant à l'approvisionnement futur des métaux des terres rares utilisés pour fabriquer des aimants permanents. C'est un problème grave, dit Stiesdal.