Les éoliennes sans lame peuvent offrir plus de forme que de fonction

L'énergie éolienne est devenue une source d'énergie légitime au cours des dernières décennies, car des conceptions de turbines plus grandes et plus efficaces ont produit des quantités toujours croissantes d'énergie. Mais même si l'industrie a enregistré un investissement mondial record de 99,5 milliards de dollars en 2014, la croissance des turbines pourrait atteindre ses limites.

Vortex affirme que ses turbines sans pales produiront de l'électricité pour 40 % de moins que le coût de l'électricité des éoliennes conventionnelles.

Le transport est de plus en plus difficile en raison de la taille des composants : les pales individuelles et les sections de tour nécessitent souvent des camions spécialisés et des routes droites et larges. Les éoliennes d'aujourd'hui sont également incroyablement lourdes. Les générateurs et les boîtes de vitesses assis sur des tours de support à 100 mètres du sol peuvent peser plus de 100 tonnes. À mesure que le poids et la hauteur des turbines augmentent, les coûts des matériaux des tours de support plus larges et plus solides, ainsi que le coût de maintenance des composants logés si loin du sol, réduisent les avantages d'efficacité des turbines plus grandes.

L'industrie de l'énergie alternative a tenté à plusieurs reprises de résoudre ces problèmes en vain. Mais la dernière entrée promet un type d'éolienne radicalement différent : un cylindre sans pale qui oscille ou vibre.

La startup espagnole Vortex Bladeless a développé des turbines qui exploitent la vorticité, le mouvement de rotation de l'air ou d'autres fluides. Lorsque le vent passe devant l'une des turbines cylindriques, il cisaille le côté sous le vent du cylindre dans un tourbillon ou un vortex en rotation. Ce vortex exerce alors une force sur le cylindre, le faisant vibrer. L'énergie cinétique du cylindre oscillant est convertie en électricité par un générateur linéaire similaire à ceux utilisés pour exploiter l'énergie des vagues.

David Yáñez, l'un des cofondateurs de la société, a découvert le concept pour la première fois alors qu'il étudiait l'effondrement du pont Tacoma Narrows à Washington. Le pont s'est effondré en 1940 en raison de vibrations excessives formées par le mouvement de rotation du vent alors qu'il passait devant le pont et est un échec technique classique. Yáñez, cependant, a appris une leçon différente. C'est un très bon moyen de transmettre l'énergie d'un fluide à une structure, dit-il.

La conception légère du cylindre de Vortex n'a pas d'engrenages ni de roulements. Yáñez dit qu'il produira de l'électricité pour 40% de moins que le coût de l'électricité des éoliennes conventionnelles. La société a reçu 1 million de dollars en capital privé et en financement gouvernemental en Espagne et recherche un autre financement de 5 millions de dollars en capital-risque. Yáñez dit que la société prévoit de lancer un système de quatre kilowatts en 2016 et un appareil beaucoup plus grand d'un mégawatt vers 2018.

La turbine Vortex semble prometteuse, mais comme toute nouvelle conception radicale d'énergie alternative, les turbines sans pales ont beaucoup de sceptiques.

Si vous avez une éolienne à hélice commune, vous avez une grande surface balayée par les pales, explique Martin Hansen, spécialiste de l'énergie éolienne à l'Université technique du Danemark. Ici, vous avez juste un poteau.

En plus de capter moins d'énergie, les cylindres oscillants ne peuvent pas convertir autant de cette énergie en électricité, explique Hansen. Une éolienne conventionnelle convertit généralement 80 à 90 % de l'énergie cinétique de son rotor en rotation en électricité. Yáñez affirme que le générateur linéaire sur mesure de son entreprise aura une efficacité de conversion de 70 %.

Yáñez admet que la conception de la turbine oscillante balayera une zone plus petite et aura une efficacité de conversion inférieure, mais affirme que des réductions importantes des coûts de fabrication et de maintenance compenseront les pertes.

Au fur et à mesure que Vortex construit des appareils plus gros qui captent les vents à plus grande vitesse plus loin du sol, il se heurtera également à d'autres défis inhérents à la physique de la mécanique des fluides. L'air ou d'autres fluides se déplaçant à faible vitesse devant des cylindres de petit diamètre s'écoulent dans un mouvement régulier et constant. Cependant, augmentez le diamètre du cylindre et la vitesse à laquelle l'air le traverse, et le flux devient turbulent, produisant des tourbillons chaotiques ou des tourbillons. L'écoulement turbulent fait varier la fréquence d'oscillation du cylindre, ce qui rend difficile l'optimisation de la production d'énergie.

Avec des cylindres très fins et des vitesses très lentes, vous obtenez des lignes téléphoniques chantantes, une fréquence ou un ton absolument pur, explique Sheila Widnall, professeur d'aéronautique et d'astronautique au MIT. Mais lorsque le cylindre devient très gros et que le vent devient très fort, vous obtenez une gamme de fréquences. Vous ne pourrez pas en tirer autant d'énergie que vous le souhaitez car l'oscillation est fondamentalement turbulente.

Widnall remet également en question l'affirmation de la société selon laquelle ses turbines seront silencieuses. Les fréquences oscillantes qui secouent le cylindre feront du bruit, dit-elle. Cela ressemblera à un train de marchandises traversant votre parc éolien.

Les cylindres oscillants ne sont qu'une des nombreuses technologies émergentes visant à récolter plus de vent à moindre coût. Makani Power développe un cerf-volant à énergie captif (voir Flying Windmills). Il vole dans un grand cercle semblable à la pointe d'une pale de turbine conventionnelle tout en exploitant l'énergie éolienne via des turbines embarquées plus petites. Astro Teller, responsable de Google X, le centre de recherche semi-secret de Google qui a acquis Makani en 2013, a déclaré en mars que la société commencerait bientôt les tests d'un cerf-volant à grande échelle de 600 kilowatts.

John Dabiri, professeur d'aéronautique et de bio-ingénierie à Caltech, teste différentes configurations de turbines à axe vertical, qui sont essentiellement des éoliennes qui tournent comme un manège plutôt que sur un axe horizontal comme une roue de vélo. Généralement, les éoliennes sont placées loin les unes des autres pour optimiser la production d'énergie. S'appuyant sur les mêmes principes que les poissons utilisent pour conserver l'énergie en s'accumulant, Dabiri a découvert que les turbines placées à proximité les unes des autres pouvaient produire plus d'énergie que celles qui sont éloignées les unes des autres.

Vous pouvez coordonner le fonctionnement de plusieurs éoliennes de sorte que le tout soit supérieur à la somme de ses parties, dit-il.

Dabiri dit que de tels effets synergiques pourraient également s'appliquer aux éoliennes conventionnelles à axe horizontal ou même aux turbines oscillantes. Ces derniers posent un plus grand défi car le sillage de telles éoliennes est très chaotique mais aussi un avantage potentiel car le sillage contient beaucoup d'énergie, dit-il.

Il reste encore beaucoup à voir avec la turbine oscillante de Vortex, dit Dabiri, mais il ajoute qu'il est enthousiasmé par le concept de l'entreprise. Quiconque dit que la turbine à trois pales est ce que nous pouvons faire de mieux manque de vision.

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