Les éoliennes traditionnelles à hélice, que l’on voit souvent, pourraient être remplacées à l’avenir par des parcs éoliens contenant des turbines verticales plus compactes et plus efficaces. De nouvelles recherches menées par l’université d’Oxford Brookes ont révélé que la conception des turbines verticales est bien plus efficace que les turbines traditionnelles dans les parcs éoliens à grande échelle et que, lorsqu’elles sont montées par paires, les turbines verticales augmentent les performances des autres jusqu’à 15 %.
Une équipe de recherche de l’école d’ingénierie, d’informatique et de mathématiques (ECM) d’Oxford Brookes, dirigée par le professeur Iakovos Tzanakis, a mené une étude approfondie, utilisant plus de 11 500 heures de simulation informatique, pour montrer que les parcs éoliens peuvent être plus efficaces en remplaçant les éoliennes à axe horizontal (HAWT) traditionnelles à hélice par des éoliennes à axe vertical (VAWT) compactes.
Les turbines verticales sont plus efficaces que les éoliennes traditionnelles.
La recherche démontre pour la première fois, à une échelle réaliste, le potentiel des VAWT à grande échelle pour concurrencer les éoliennes HAWT actuelles.
Les VAWT tournent autour d’un axe vertical par rapport au sol et présentent un comportement opposé à celui des hélices bien connues (HAWT). Les recherches ont montré que les VAWT augmentent leurs performances mutuelles lorsqu’elles sont disposées en réseau. Le positionnement des éoliennes pour maximiser leur rendement est essentiel pour la conception des parcs éoliens.
Le professeur Tzanakis commente : « Cette étude prouve que l’avenir des parcs éoliens devrait être vertical. Les turbines des parcs éoliens à axe vertical peuvent être conçues pour être beaucoup plus rapprochées les unes des autres, ce qui augmente leur efficacité et, en fin de compte, fait baisser les prix de l’électricité. À long terme, les VAWT peuvent contribuer à accélérer la transition écologique de nos systèmes énergétiques, afin que davantage d’énergie propre et durable provienne de sources renouvelables.«
La capacité d’énergie éolienne du Royaume-Uni devant presque doubler d’ici à 2030, les résultats de cette étude constituent un tremplin vers la conception de parcs éoliens plus efficaces, la compréhension des techniques de récolte de l’énergie éolienne à grande échelle et, en fin de compte, l’amélioration de la technologie des énergies renouvelables afin de remplacer plus rapidement les combustibles fossiles comme sources d’énergie.
Un moyen rentable d’atteindre les objectifs en matière d’énergie éolienne
Selon le Global Wind Report 2021, le monde doit installer de l’énergie éolienne trois fois plus vite au cours de la prochaine décennie, afin d’atteindre les objectifs de consommation nette zéro et d’éviter les pires impacts du changement climatique.
Joachim Toftegaard Hansen, auteur principal du rapport et titulaire d’un diplôme d’ingénieur, a commenté l’étude : « Les parcs éoliens modernes sont l’un des moyens les plus efficaces de produire de l’énergie verte, mais ils présentent un défaut majeur : lorsque le vent s’approche de la première rangée de turbines, des turbulences sont générées en aval. Ces turbulences nuisent à la performance des rangées suivantes.«
« En d’autres termes, la rangée avant convertira environ la moitié de l’énergie cinétique du vent en électricité, alors que pour la rangée arrière, ce chiffre tombe à 25-30%. Chaque turbine coûte plus de 2 millions de livres sterling/MW. En tant qu’ingénieur, je me suis naturellement dit qu’il devait y avoir un moyen plus rentable.«
L’étude est la première à analyser de manière exhaustive de nombreux aspects des performances des éoliennes, en ce qui concerne l’angle du réseau, le sens de rotation, l’espacement des éoliennes et le nombre de rotors. C’est également la première fois que l’on cherche à savoir si les améliorations de performances sont valables pour trois turbines VAWT montées en série.
Le Dr Mahak, co-auteur de l’article et maître de conférences à l’ECM, commente : « L’importance de l’utilisation des méthodes de calcul est évidente : L’importance de l’utilisation de méthodes informatiques pour comprendre la physique des flux ne peut être sous-estimée. Ces types d’études de conception et d’amélioration représentent une fraction du coût par rapport aux énormes installations d’essais expérimentaux. Cela est particulièrement important lors de la phase de conception initiale et est extrêmement utile pour les industries qui tentent d’atteindre une efficacité et une puissance de sortie maximales.«
[ Illustration – Crédit / © Oxford Brookes University ]
L’étude ne devrait pas être prise au pied de la lettre.
C’est surtout l’éolien flottant qui est concerné parce qu’une turbine verticale est située au niveau de l’eau alors qu’une turbine horizontale, propulse une énorme masse au sommet d’un mât ce qui rend l’engin difficile à équilibrer, sans compter les forces gyroscopiques et Coriolis qui engendrent des torsions sur l’arbre.
En revanche, les agencements de pales en « roues à aubes » n’auront jamais le rendement exceptionnel d’une hélice. C’est sans doute la raison du développement des turbines actuelles.
J’ai été très déçu par la faillite de l’entreprise Nenuphar qui avait beaucoup travaillé le concept, notamment dans la perspective de réductions de coûts par unité. Maintenant, d’autres sociétés d’ingénierie ont pris la relève et on peut espérer voir des machines très rentables arriver sur le marché de l’éolien flottant.
L’axe vertical présente d’autres avantages, notamment une réduction drastique des vibrations, ce qui laisse espérer la possibilité d’installer du petit éolien sur des toits sans nuisance sonore dans la maison. La tolérance au vents turbulents permet aussi de s’accommoder des environnements urbains ou en fond de vallée alors que la recherche de rendement des éoliennes actuelles privilégie les crêtes et sommets de collines où les engins sont évidement très visibles…
Le marché de l’éolien flottant reste une cible privilégiée dans la mesure ou il n’est presque pas développé actuellement et présente un potentiel de croissance époustouflant. Sans doute des centaines de GW en France.
Reste à amener toute cette théorie dans le monde réel et cette étude devrait débloquer des financements significatifs pour les start-ups du secteur.
Le challenge pour ces sociétés d’ingénierie est d’arriver à un niveau critique d’industrialisation qui permette une chute des coûts sans amputer les budgets R&D, car il reste sans doute beaucoup à faire pour parvenir à la maturité technique.
On peut aussi imaginer que des turbines horizontales placent un cardan à la place de la turbine actuelle et ainsi, déplacent n’énorme alternateur au pied du mât. Cela aurait le même effet sur l' »avionique » de la structure flottante.
Qui vivra verra…
Est-ce le même système déjà installé sur certains grands voiliers?