Évolution des tendances dans la technologie des éoliennes et l'avenir de l'énergie éolienne

Les chercheurs de l'industrie s'efforcent de développer une meilleure technologie de turbine, telle que des générateurs à plus haut rendement et des pales plus fiables pour minimiser les coûts d'énergie et de fabrication.

Dr Raj Shah, M. Stanley Zhang, M. Andrew Kim | Compagnie d'instruments Koehler

L'énergie éolienne est une source essentielle d'électricité et représente environ 8 % de l'énergie domestique aux États-Unis [1]. Les éoliennes modernes durent généralement 20 à 25 ans de fonctionnement. Selon les conditions environnementales, la taille de la turbine et la vitesse du vent, une turbine peut produire jusqu'à 6 millions de kWh par an [2]. Les éoliennes produisent de l'électricité à partir du vent qui traverse les pales de l'éolienne. L'énergie cinétique du vent est alors captée par les pales par rotation et convertie en puissance mécanique. La rotation de la lame fait tourner l'arbre interne, qui est relié à la boîte de vitesses, 100 fois plus vite, produisant de l'électricité [3]. Au cours des dernières décennies, les éoliennes ont évolué à bien des égards pour devenir plus pertinentes dans le secteur de l'énergie d'aujourd'hui et sont maintenant considérées comme une source d'énergie renouvelable de premier plan qui peut aider à réduire les émissions de gaz du charbon. Bien que les éoliennes aient leurs avantages, elles présentent également des inconvénients, notamment des coûts élevés, une durabilité sous-optimale et des exigences de maintenance constantes dans des conditions météorologiques difficiles, ce qui est particulièrement vrai pour les éoliennes offshore. Ces problèmes doivent être minimisés pour que l'énergie éolienne devienne une source dominante d'énergie renouvelable et concurrence avec justesse les combustibles fossiles conventionnels.

Actuellement, les chercheurs de l'industrie s'efforcent de développer une meilleure technologie de turbine, telle que des générateurs à plus haut rendement et des pales plus fiables pour minimiser les coûts d'énergie et de fabrication [3]. Les travailleurs de l'industrie éolienne ont récemment développé des pales de formes et de configurations différentes pour améliorer la robustesse et la vitesse de rotation [4]. De plus, la technologie de l'énergie éolienne offshore a fait l'objet de recherches plus approfondies, et cette recherche a apporté des avantages et des moyens de minimiser les inconvénients de ces conceptions flottantes. Dans les eaux profondes, des études ont montré que même si elles nécessitaient un câblage plus dynamique et étaient sujettes à des conditions météorologiques et des coûts d'amarrage plus extrêmes, ces éoliennes offshore pouvaient réduire les coûts de transport, d'installation et d'assemblage par rapport aux éoliennes terrestres. En outre, des efforts ont été faits pour réduire les coûts de construction/réparation des éoliennes offshore, de sorte que les plates-formes, telles que les plates-formes semi-submersibles amarrées à la caténaire (CMSSP), les plates-formes à jambes de tension (TLP) et la bouée à espar, ont été fortement étudiées et développées. . Plusieurs turbines offshore ont déjà été développées en Europe, avec des développements similaires susceptibles de suivre aux États-Unis et au Japon en raison de leurs longues côtes et de la bathymétrie des fonds marins à forte pente. On s'attend à ce que ces pays soient les premiers à connaître des avancées techniques dans le domaine de l'éolien flottant. Bien que la maximisation de la durabilité et de l'efficacité des éoliennes soit une priorité essentielle pour consolider l'énergie éolienne en tant que première source d'énergie renouvelable, les considérations relatives aux coûts et aux allocations, qu'il s'agisse de davantage d'installations dans les zones côtières ou en montagne, sont essentielles pour évaluer la faisabilité globale. Cet article mettra en évidence les progrès récents de la technologie des éoliennes, une comparaison entre les éoliennes terrestres et offshore et les développements futurs en réserve pour l'énergie éolienne.

CMSSP

Concernant les éoliennes offshore, le CMSSP est une plateforme conçue pour servir de socle aux éoliennes offshore et connaît des développements rapides pour permettre à ces éoliennes flottantes d'être pérennes et de fonctionner en eaux profondes [5]. Ces plates-formes sont composées d'une série de connexions entre des colonnes et des contreventements en acier. Ces entretoises en acier sont fixées à des lignes d'amarrage, qui sont encastrées dans le fond marin, comme le montre la figure 1.

Figure 1. La disposition des plates-formes flottantes semi-submersibles pour les éoliennes [5].

À mesure que la profondeur de l'eau augmente, les coûts de fabrication/réparation augmentent, mais il y a aussi de nombreux avantages. Les avantages incluent des coûts inférieurs à ceux des configurations à fond fixe dans les eaux profondes, une installation plus facile, un retrait de pièces sans effort et une gamme plus large de sites d'installation. De plus, ces fondations présentent plusieurs avantages par rapport aux autres fondations largement utilisées car elles peuvent être installées à quai et transportées en mer, contrairement aux TLP ou aux bouées à espar. D'autres avantages incluent des coûts d'installation inférieurs du système d'amarrage par rapport à d'autres fondations et de meilleurs comportements hydrodynamiques en raison de tirants d'eau plus longs et de moins de forces d'excitation des vagues agissant sur celui-ci.

Des techniques ont été développées pour simuler les champs de vent, comme l'utilisation d'EllipSys3D avec FLEX5, qui est un solveur de flux tridimensionnel qui estime les vitesses du vent dans les coordonnées de la section des pales [5]. L'écoulement dans le rotor des turbines montre peu d'effet des instabilités, ce qui prouve que le modèle est précis pour l'écoulement du vent sur les pales. Le modèle est capable de capturer tous les changements importants dans les éoliennes à axe vertical avec une bonne évaluation quantitative du champ d'écoulement, d'acquérir la déformation d'expansion radiale du sillage et de calculer rapidement les performances aérodynamiques des éoliennes dans des conditions axiales stables [6].

TLP

Les TLP sont souvent utilisés pour les développements pétroliers / gaziers en eau profonde en raison de leurs caractéristiques de mouvement favorables, mais sont plus chers que les bouées à espar et les plates-formes amarrées caténaires. Cependant, lorsque les TLP sont utilisés comme plates-formes pour les éoliennes, leur déplacement, leur résistance à la traction et leur masse d'acier peuvent être réduits. Cela est dû au fait que leur poids global est beaucoup plus léger que lorsqu'il est utilisé pour les plates-formes pétrolières/gazières, ce qui permet de réduire les forces des vagues et du vent lorsqu'ils rencontrent les TLP [7]. Les TLP connaissent une plus grande popularité, car leur conception conceptuelle est un domaine de recherche actif et les travailleurs industriels commencent à s'intéresser davantage à l'utilisation de ces plates-formes pour les éoliennes en eau profonde. La plupart des structures de TLP se composent d'une seule colonne et de trois à quatre pontons qui permettent une flottabilité substantielle. La coque est composée d'un cylindre en acier et d'un cylindre en saillie pour supporter les jambes de tension. Il est souhaitable que les tendons aient un poids négligeable.

La figure 2. (a) montre un TLP général attaché à une éolienne et les directions de vent possibles. (b) montre le même TLP mais en montre les paramètres (h1, D1 et D2 représentent la coque, rp, hp et wp montrent les pontons, et les lignes verticales inférieures sont les jambes de tension).

(c) est une conception différente qui a des pontons et des tendons circulaires creux [7].

L'objectif principal de la coque des éoliennes TLP est de réduire les coûts d'électricité en maximisant l'efficacité de la conversion de puissance, tout en minimisant les coûts d'exploitation, de fabrication et de maintenance. Pour minimiser les coûts de fabrication, la masse d'acier, la résistance à la traction et la taille globale doivent être réduites au minimum. La limitation des frais d'exploitation et de maintenance nécessite la réduction des charges sur la nacelle, le tendon, le pylône et la pale. L'optimisation de la structure et de la conception du TLP est cruciale pour son efficacité et la réduction des coûts de maintenance. Dans une expérience visant à déterminer quelle configuration optimiserait l'efficacité de la conversion de puissance, réduirait les coûts et resterait la plus stable dans des conditions météorologiques difficiles, quatre TLP différents ont été conçus pour une analyse comparative. La première conception avait la coque la plus lourde, la plus grande stabilité et le temps d'installation le plus court de ces conceptions et avait des coûts de maintenance et d'exploitation similaires à ceux des autres; cependant, c'était le plus cher à fabriquer. La deuxième conception avait 60% du déplacement de la première conception mais était instable pour le remorquage car seulement 30% du déplacement était sur les pontons à 3 pattes [7]. Les troisième et quatrième conceptions ont été réalisées après avoir découvert les problèmes avec les première et deuxième conceptions. Ils disposaient tous les deux de 70 % du déplacement sur les pontons, optimisant la répartition du poids total du TLP afin que les 30 % restants de la coque puissent contenir les éoliennes [7]. Bien qu'ayant moins de déplacement que les deux autres modèles la rendait plus sujette aux dommages, les coûts étaient nettement inférieurs et la petite colonne dans la coque rendait la turbine plus transparente aux vagues.

Bouées à espar

Les bouées à espar sont une autre plate-forme couramment utilisée pour les éoliennes et, à l'instar des TLP, elles sont couramment utilisées dans les industries pétrolières et gazières offshore. Ce concept de longeron a été déployé sur la côte sud-ouest de la Norvège et sera déployé dans d'autres zones côtières une fois que les exigences de base d'une stabilité verticale, de roulis et de tangage suffisante seront satisfaites. La bouée-espar est composée de six sections contribuant toutes à la stabilité de l'éolienne. Le tableau 1 montre les six sections avec leur rôle.

Tableau 1. Différentes sections de la bouée à espar répertoriées avec leurs fonctions et objectifs prévus [8].

Section

Fonctionnalité

Aire plan d'eau

Surface du plan d'eau, mesurant la rigidité verticale

Transition

Relie la ligne d'eau à la section de flottabilité

Flottabilité principale

Section volumineuse assurant la flottabilité principale

Ballast (lourd)

Un ballast est un matériau lourd, dans ce cas en fer, placé bas dans un navire pour assurer la stabilité

Semelle (section la plus basse)

Plaque inférieure qui peut également être utilisée pour augmenter la force de traînée verticale et la masse supplémentaire

Chaumard (utilisé pour mesurer la tension)

Au fur et à mesure que le lest augmente le poids, la tension de la bouée-espar elle-même augmente, ce qui la rend plus sujette à la corrosion et aux fissures

Outre les plates-formes, il existe de nouvelles mises à niveau des paliers primitifs, qui peuvent être installés dans les éoliennes terrestres et offshore. Les roulements de pas sont ce qui relie le spinner aux pales et peut ajuster les pales à un certain angle pour optimiser la capture du vent. Les inconvénients des roulements à pas typiques sont qu'ils ne peuvent pas tourner à plus de 90 degrés, ont un angle d'oscillation inférieur à 5 degrés, sont maintenus immobiles pendant de longues périodes et sont soumis à des vibrations constantes lorsque la turbine est en marche. Cela exerce une forte pression sur les composants du roulement de pas et peut entraîner une dégradation du lubrifiant et une usure de l'adhésif [10]. De plus, ces roulements sont observés tous les deux ans ou tous les ans en raison des emplacements isolés de la plupart des éoliennes. Les principales causes de défaillance des roulements sont une mauvaise lubrification et la dégradation de la graisse, ce qui peut provoquer de la corrosion, une usure vibratoire et des bosses de débris [10]. Pour cette raison, une sélection appropriée de lubrifiant/graisse et des machines de lubrification à alimentation continue sont importantes pour assurer une efficacité maximale et un entretien minimal. Les composants de l'éolienne qui subissent des frottements et de l'usure et qui nécessitent une lubrification sont les roulements de pas, les roulements de l'arbre principal, la boîte de vitesses, l'entraînement de lacet et le roulement du générateur [11].

Figure 3. Composants mécaniques d'une éolienne [12].

Un autre sujet de préoccupation est la surcharge, qui se produit lorsque les roulements ne sont pas fermement soutenus, ce qui fait qu'une fraction du chemin de roulement supporte la majeure partie de la charge. Une surcharge peut entraîner une troncature de contact (la probabilité peut augmenter en raison de la diminution du support externe), un écrasement du noyau du chemin de roulement et des ruptures de composants. Cependant, avec les mises à niveau des roulements, tous ces problèmes peuvent être minimisés ou résolus entièrement. Les mises à niveau peuvent inclure le renforcement des courses, le chargement des bords, la gestion de l'usure des séparateurs et la collaboration directe avec un fabricant qui peut proposer des solutions de roulement avancées qui peuvent aider à économiser du temps et de l'argent. De plus, avec des anneaux séparateurs inducteurs, comme le montre la figure 4, la charge de traction et de compression peut être réduite. Parallèlement à cela, un dimensionnement géométrique strict peut créer une forme presque parfaite, entraînant moins de frottement, de dérapage et d'espaces restreints, ce qui minimise la dégradation interne et améliore la réponse et l'efficacité du système de pas. Les joints de roulement à pas jouent deux rôles cruciaux en empêchant l'exposition interne et en bloquant les lubrifiants. Malheureusement, les joints à l'ancienne sont en caoutchouc nitrile butadiène hydrogéné, qui se dégrade rapidement lorsqu'il est exposé aux UV, ne protège pas les composants internes des roulements et réagit lentement aux changements de fréquence des ondes. Cependant, un joint amélioré appelé "profil en H", illustré à la figure 4, est fabriqué à partir de polyuréthane thermoplastique améliorant considérablement l'efficacité du joint [10]. Il est très réactif, fonctionne efficacement même lorsqu'il est déformé, réduit les fuites de graisse et a un taux d'usure nettement inférieur à celui d'un joint en caoutchouc. Ces améliorations collectives contribuent à renforcer la robustesse et à réduire les coûts de maintenance.

Figure 4. La division de l'anneau séparateur en segments permet une liberté de mouvement individuelle limitée, réduisant la charge de traction et de compression (en haut). Les roulements défectueux (rouges) sont en caoutchouc, tandis que les roulements améliorés (bleus) affichent le joint en H (en bas) [10].

Enfin, un emballage et une manipulation de stockage appropriés sont essentiels pour maintenir la table rase des roulements. Les roulements doivent être emballés dans du papier inhibiteur de corrosion volatil et des revêtements anticorrosion pour prévenir la contamination, la dégradation et la corrosion causées par les dangers pendant le transport. Il est également essentiel qu'avant d'installer les roulements sur les éoliennes, le roulement soit toujours enveloppé car une petite exposition aux contaminants, en particulier la saleté et l'eau, peut provoquer de la corrosion, des fractures induites par l'hydrogène, une gravure statique et un frottement [10].

Les éoliennes offshore sont considérées comme des développements récents par rapport aux éoliennes terrestres conventionnelles. Les éoliennes offshore flottantes sont plus difficiles d'accès, sont plus susceptibles d'être endommagées et sont plus coûteuses à installer et à exploiter. Cependant, les avancées technologiques actuelles peuvent renforcer la tour et fournir une plus grande protection en gérant les forces des vagues ou des coulées de glace. De plus, la mise à niveau des nacelles de ces turbines peut empêcher la corrosion de l'eau de mer d'endommager les composants électriques internes. Comme la direction et la vitesse des vents deviennent de plus en plus prévisibles en mer qu'à terre grâce aux progrès technologiques, l'investissement dans l'énergie éolienne en mer augmentera à un rythme plus rapide que la normale et pourrait constituer la principale source d'énergie renouvelable. Les avantages spécifiques et les inconvénients des deux types d'éoliennes sont répertoriés ci-dessous dans le tableau 2.

Tableau 2. Avantages et inconvénients des éoliennes onshore et offshore [13].

Turbines terrestres

Turbines en mer

Avantages

Les inconvénients

Avantages

Les inconvénients

Nettement moins cher

Efficacité limitée en raison de la vitesse et de la direction imprévisibles du vent

Plus efficace grâce à des vitesses et des directions de vent constantes

Technologie coûteuse associée au transfert d'énergie des turbines

L'une des énergies renouvelables les moins chères

Peut mettre en danger la faune volante, comme les oiseaux et les chauves-souris

Moins de turbines nécessaires pour produire une quantité égale d'électricité

Augmentation des coûts d'exploitation et de maintenance causée par l'usure accrue due au vent et aux vagues

Dynamiser les économies locales

Peut causer une pollution sonore et un impact visuel négatif

Aucun risque d'impact visuel et d'interférence avec l'utilisation du sol

Temps d'attente plus longs nécessaires pour corriger tout problème potentiel en raison d'un accès plus limité

Moins d'émissions associées au transport des structures éoliennes

Incapacité à produire de l'énergie toute l'année en raison de la dépendance à des conditions de vent optimales

Protège les habitats aquatiques en restreignant l'accès à certaines eaux

Actuellement limité dans sa capacité à bénéficier aux économies locales

Moins de chutes de tension entre l'éolienne et le consommateur

Aucune restriction physique à ces endroits pour bloquer le vent

Taille du rotor et forme des pales

Pour réduire les coûts de conversion de l'énergie et optimiser la production d'énergie, des chercheurs du National Renewable Energy Laboratory (NREL) et des Sandia National Laboratories (SNL) travaillent ensemble pour concevoir des rotors de 206 mètres pour des turbines terrestres [14]. Avec des pales plus grandes, plus d'énergie cinétique du vent peut être exploitée et utilisée pour générer de l'électricité. Cependant, les coûts de transport et de fabrication augmenteront en réponse à l'augmentation de la masse de matériaux et de la demande. Le NREL et le SNL ont également trouvé un moyen de diminuer la rigidité des pales et pour que la turbine retienne plus de vent à venir, quelle que soit la vitesse [14]. La configuration du rotor vers le bas réduit l'exigence de rigidité car le vent éloigne les pales de la tour, ce qui rend les pales plus légères et assure la sécurité/le dégagement de la tour. La figure 6 compare les éoliennes ascendantes traditionnelles avec des exigences de rigidité de pale élevées et les pales coniques descendantes nouvellement développées, qui peuvent suivre le vent à l'aide de leur mécanisme conique. La division Wind Blade de Carver et Sandia National Laboratories développent une pale d'éolienne qui pourrait potentiellement capter 12 % de vent en plus que les éoliennes ordinaires. La pale a une petite pointe incurvée, contrairement aux autres éoliennes, qui peut optimiser la capture du vent [14].

Figure 5. Configuration conique variable (à gauche) [15] et configuration de rotor traditionnelle (à droite) [16].

Changer la forme des aubes de turbine traditionnelles permet de fabriquer des aubes plus légères. Cette approche permet une stabilité aéroélastique, mais au prix d'une complexité accrue pour la fabrication et le contrôle. Les chercheurs du NREL travaillent actuellement à la conception de pales plus légères et à l'optimisation des placements de calottes de longeron sur les pales sans augmenter l'épaisseur. Cela minimiserait la masse de la lame et augmenterait la résistance. Cependant, il existe également des problèmes de transport liés au déplacement de ces grandes lames assemblées. Pour cette raison, les composants des éoliennes sont fabriqués en sections, qui sont ensuite transportées pour être assemblées sur site [14].

À l'origine, la principale méthode d'identification des dommages sur les éoliennes était l'inspection manuelle, qui impliquait l'utilisation d'un appareil photo et d'un téléobjectif. Cependant, en raison des limitations humaines, les dommages causés aux éoliennes sont rarement détectés avant d'atteindre des états critiques. SNL, International Climbing Machines et Dolphitech travaillent ensemble pour développer un robot autonome qui peut se fixer verticalement à une éolienne, se déplacer et détecter tout problème externe ou interne avec les caméras embarquées et son "imagerie ultrasonore à balayage de phase" de manière autonome [17] . Le but de ce développement est de localiser rapidement les dommages aux turbines afin de minimiser les coûts de maintenance et les temps d'arrêt des turbines, ce qui peut améliorer la durée de vie et l'efficacité des turbines. Les robots inspecteurs autonomes peuvent être utilisés pour les éoliennes terrestres et offshore et peuvent détecter toute anomalie sur les éoliennes à partir de n'importe quelle taille de pales.

SNL travaille également à équiper les drones de caméras infrarouges pour détecter les dommages par imagerie thermique. Ce processus consiste à exposer les lames à la lumière du soleil, puis à les recouvrir de nuances. Lorsqu'il n'y a pas de lumière solaire sur les pales, la chaleur des pales se diffuse à l'intérieur sans rien endommager. Cependant, les zones endommagées empêchent la chaleur de se diffuser vers l'intérieur, ce qui laisse la surface chaude et ces points chauds sur la caméra infrarouge montrent des dommages.

Figure 6. Robot sur chenilles effectuant une inspection sur une éolienne terrestre [17].

Dans des nouvelles récentes, des tempêtes hivernales ont frappé l'État du Texas à la fin février 2021, laissant plus de quatre millions de Texans sans électricité ni chauffage pendant les pics des pannes [18]. La principale cause de ces pannes de courant a été attribuée à la perturbation des centrales au gaz naturel, au charbon et nucléaires de l'État en raison des conditions de gel. De plus, les températures extrêmement froides ont provoqué le gel des éoliennes, provoquant de manière significative de nouvelles pannes, car le Texas

compte près de 15 000 éoliennes et l'énergie éolienne représentait 23 % de l'électricité de l'État en 2020 [19]. Bien que les combustibles fossiles soient la principale source de production d'électricité au Texas, la perte d'éoliennes a considérablement accru les pénuries d'énergie pendant la crise climatique, alors que la demande d'énergie montait en flèche.

Figure 7. Répartition des principales sources d'électricité au Texas et par conséquent des secteurs les plus impactés par les tempêtes hivernales [20].

La mauvaise fonctionnalité à basse température et le manque de forfaits pour temps froid sont les principales raisons du gel des éoliennes du Texas. En règle générale, les éoliennes utilisées dans les régions plus froides sont équipées de dispositifs de dégivrage et d'un chauffage intégré pour protéger les composants essentiels des éoliennes, tels que les moteurs de tangage et de lacet, la boîte de vitesses et la batterie, des températures négatives extrêmes [21]. Des technologies spécialisées par temps froid et antigivrage sont conçues pour empêcher l'accumulation de glace sur les pales des turbines, ainsi que la détection et l'élimination de la glace dans des circonstances inévitables. L'accumulation de glace sur les pales des éoliennes peut gravement entraver leurs performances, car elle ajoute du poids et modifie l'aérodynamisme des pales, ce qui peut déséquilibrer les pales en rotation ou empêcher complètement la rotation des pales [19].

Cependant, en raison du climat historiquement chaud du Texas, l'ajout de mécanismes antigivrage est abandonné au profit d'une réduction des coûts. Les récentes tempêtes hivernales pourraient susciter un plaidoyer en faveur de la mise en œuvre de technologies par temps froid pour améliorer la fonctionnalité des éoliennes sous des températures glaciales, afin de prévenir les crises induites par les conditions météorologiques à l'avenir.

Le parc éolien du lac Alfred situé près d'Amqui, au Québec, avait déjà connu d'importants temps d'arrêt des turbines en raison de l'accumulation de glace, ce qui a entraîné la mise en œuvre du système de prévention des glaces (WIPS) de Wicetec Oy [22]. Ce système utilise des réchauffeurs électriques intégrés à base de carbone pour chauffer rapidement la surface des aubes de turbine à une température contrôlée lorsque de la glace est détectée [23]. Caribou Wind Farm au Nouveau-Brunswick, au Canada, a testé la technologie WIPS mais n'a pas été en mesure de justifier sa mise en œuvre coûteuse sur toutes ses pales d'éoliennes. L'absence de conditions de givrage importantes a amené Caribou Wind Farm à se tourner vers d'autres options de dégivrage, telles que des carreaux chauffés électriquement, l'utilisation de peinture noire sur les pales pour absorber l'énergie UV et les revêtements appliqués par hélicoptère [22]. Malgré un climat beaucoup plus chaud, le Texas pourrait adopter des solutions par temps froid similaires qui sont optimales pour les zones qui connaissent rarement du givrage, à mesure que de nouveaux développements sont réalisés pour améliorer l'efficacité et la faisabilité économique des technologies susmentionnées.

Figure 8. Un hélicoptère pulvérisant des agents antigivrants directement sur les pales d'une éolienne, tel que testé par Caribou Wind Farms [23].

L'énergie éolienne est une source d'énergie alternative en pleine croissance et pourrait remplacer les combustibles fossiles conventionnels à l'avenir, moyennant une recherche et un développement adéquats. Il existe de nombreux progrès / développements récents dans le domaine de l'énergie éolienne, tels que les plates-formes offshore qui peuvent réduire les coûts d'électricité et être facilement installées sur des surfaces d'eaux profondes. Les eaux profondes près des zones côtières ont des vitesses et des directions de vent prévisibles, permettant une production d'électricité optimale. De plus, les développements futurs, tels que les chenilles robotiques, peuvent inspecter et détecter les problèmes sur les grandes éoliennes, tandis que les nouvelles avancées en matière de taille de rotor et de pales permettent une utilisation optimale du vent, ainsi que des coûts de fabrication minimaux. En outre, un accent supplémentaire sera probablement mis sur la fonctionnalité des éoliennes par temps froid, car des conditions de températures extrêmement basses peuvent provoquer le gel des éoliennes et laisser des populations importantes sans électricité ni chauffage, comme l'ont mis en évidence les récentes tempêtes hivernales qui ont balayé le Texas. En comparant les éoliennes terrestres et offshore, les similitudes et les différences entre les deux sont évidentes. Les éoliennes terrestres coûtent moins cher à gérer et à fabriquer mais ne peuvent pas produire de l'énergie toute l'année. De plus, les emplacements de leurs sites d'installation subissent des vitesses et des directions de vent imprévisibles. Les éoliennes offshore sont plus coûteuses à fabriquer et à entretenir, mais avec des investissements et des avancées technologiques, elles peuvent fournir beaucoup plus d'énergie que les éoliennes terrestres.

Le Département américain de l'énergie (DOE) prévoit que le pays disposera de 404 gigawatts de capacité d'énergie éolienne d'ici 2050, suffisamment pour répondre à plus d'un tiers de la demande d'électricité du pays [24]. Avec la demande croissante des consommateurs pour une énergie propre et renouvelable, l'industrie éolienne est la deuxième source d'énergie renouvelable la plus rapide à se développer, selon le US Bureau of Labor [25]. Cependant, il existe certains inconvénients, tels que les coûts de construction élevés et la faible durabilité associée aux éoliennes. Une innovation technologique développée et en cours d'amélioration est la conception du flotteur araignée. Cette technologie de sous-structure flottante a été développée pour maximiser la production d'électricité afin de réduire les coûts et d'améliorer la viabilité économique des éoliennes offshore. Une autre innovation importante apportée aux éoliennes sont les générateurs à entraînement direct (DDG), qui ont la capacité de générer de l'électricité à la vitesse du rotor [26]. Cependant, des aimants coûteux sont nécessaires pour remplacer les aimants d'origine afin d'atteindre une fréquence spécifique, mais avec des DDG légers et des générateurs supraconducteurs, aucun matériau coûteux n'est nécessaire pour atteindre des performances optimales [26]. Les prochaines décennies apporteront probablement davantage d'améliorations aux composants et aux configurations des éoliennes, poussant davantage la technologie de l'énergie éolienne sous les feux de la rampe des énergies renouvelables.

À propos du Dr Raj Shah

Le Dr Raj Shah est directeur de Koehler Instrument Company à New York, où il travaille depuis 25 ans. Il est membre élu par ses pairs à IChemE, CMI, STLE, AIC, NLGI, INSTMC, The Energy Institute et The Royal Society of Chemistry Récipiendaire du prix ASTM Eagle, le Dr Shah a récemment coédité le best-seller "Fuels and Lubricants handbook" , dont les détails sont disponibles sur https://www.astm.org/DIGITAL_LIBRARY/MNL/SOURCE_PAGES/MNL37-2ND_foreword.pdf

Titulaire d'un doctorat en génie chimique de la Penn State University et membre du Chartered Management Institute de Londres, le Dr Shah est également scientifique agréé auprès du Conseil des sciences, ingénieur pétrolier agréé auprès de l'Energy Institute et ingénieur agréé auprès du Engineering Council, Royaume-Uni. Professeur adjoint au Département de science des matériaux et de génie chimique de l'Université d'État de New York, Stony Brook, Raj a plus de 330 publications et est actif dans le domaine pétrolier depuis 3 décennies. Plus d'informations sur Raj peuvent être trouvées sur https://www.petro-online.com/news/fuel-for-ought/13/koehler-instrument-company/dr-raj-shah-director-at-koehler-instrument- entreprise-décernée-avec-plusieurs-distinctions/53404

À propos de Stanley Zhang et Andrew Kim

Stanley Zhang et Andrew Kim sont étudiants à l'Université d'État de New York, Stony Brook, où le Dr Shah est président du comité consultatif externe du département des sciences des matériaux et du génie chimique.

Les références

[1] "Les éoliennes fournissent 8 % de la capacité de production des États-Unis, plus que toute autre source renouvelable." EIE, 2 mai 2017

[2] "Combien de temps durent les éoliennes ? Leur durée de vie peut-elle être prolongée ?" TWI, TWI

[3] "Bases de l'énergie éolienne." AWEA, AWEA

[4] « Technologie éolienne de nouvelle génération ». Energy.gov, efficacité énergétique et énergies renouvelables

[5] Liu, Yichao et al. "Développements dans les fondations flottantes semi-submersibles soutenant les éoliennes : un examen complet." Examens des énergies renouvelables et durables, Pergamon, 6 février 2016

[6] Tescione, G., et al. "Analyse d'un modèle de sillage vortex libre pour l'étude du rotor et du flux de sillage proche d'une éolienne à axe vertical." Énergie renouvelable, Pergamon, 10 novembre 2015

[7] Bachynski, Erin E. et Torgeir Moan. "Considérations de conception pour les éoliennes à plate-forme à jambes de tension." Structures marines, Elsevier, 3 novembre 2012

[8] Cheng, Zhengshun et al. "Une étude comparative sur les réponses dynamiques des éoliennes flottantes à axe horizontal et vertical de type Spar." Bibliothèque en ligne Wiley, John Wiley & Sons, Ltd, 7 juillet 2016

[9] Fylling, Ivar & Berthelsen, Petter. WINDOPT : "Un outil d'optimisation des structures de support flottantes pour les éoliennes en eau profonde. Actes de la conférence internationale sur la mécanique offshore et l'ingénierie arctique", 2011

[10] Bayles, Corey. "Prolonger la durée de vie des éoliennes avec des mises à niveau de roulement de pas." Ingénierie et développement de l'énergie éolienne, Ingénierie de l'énergie éolienne, 3 février 2020

[11] McGuire, par : Nancy. "Les défis de la lubrification dans l'industrie éolienne." Energy Central, Tribologie et technologie de lubrification, 18 sept. 2019

[12] Saurabhjain. "Composants d'éoliennes industrielles." Génie mécanique, Communauté Invision, 21 novembre 2015

[13] Cuffari, Bénédette. "Parcs éoliens offshore vs onshore." AZoCleantech.com, AZO Cleantech, 11 décembre 2019

[14] « Plus gros égale mieux en matière de potentiel d'énergie éolienne ». Energy.gov, 21 octobre 2019

[15] Par. « FCPS ». L'éolienne hybride et le panneau solaire de Lanier font la une des journaux ! | Lanier Middle School, Pleins feux, 14 novembre 2017

[16] Bortolotti, Pietro, et al. "Comparaison entre les conceptions sous le vent et sous le vent d'un rotor d'éolienne de 10 MW." Science de l'énergie éolienne, Copernicus GmbH, 31 janvier 2019

[17] Dormehl, Luc. "Les robots sur chenilles et les drones d'imagerie surveillent les dommages causés aux éoliennes." Tendances numériques, Tendances numériques, 27 juin 2019

[18] Bogel-Burroughs, Nicholas, et al. "Tempête d'hiver au Texas : ce qu'il faut savoir." Le New York Times. 20 février 2021.

[19] Moriarty, Rick. "Pourquoi les éoliennes à New York continuent de fonctionner par un froid glacial contrairement à celles du Texas." Syracuse.com. 19 février 2021.

[20] Browne, éd. "Pourquoi les éoliennes ont-elles gelé au Texas alors qu'elles fonctionnent dans l'Arctique ?" Newsweek. 18 février 2021.

[21] Charpentier, Scott. "Pourquoi les éoliennes dans les climats froids ne gèlent pas : dégivrage et fibre de carbone." Forbes. 16 février 2021.

[22] Froese, Michelle. "La froide et dure vérité sur la glace sur les aubes de turbine." Ingénierie et développement éolien. 25 oct. 2018.

[23] "Comment prévenir le givrage des éoliennes ? - La technologie WIPS." Wicetec Oy. 2019.

[24] Commercialisation, GME. "Ce que vous devez savoir sur l'avenir de l'énergie éolienne : Green Mountain Energy." Green Mountain Energy Company, Green Mountain Energy Company, 18 décembre 2018

[25] Torpey, Elka. "Croissance verte : projections d'emploi dans les professions axées sur l'environnement : perspectives de carrière." US Bureau of Labor Statistics, US Bureau of Labor Statistics, avril 2018

[26] Osmanbasic, E. (nd). "L'avenir des éoliennes : comparaison de l'entraînement direct et de la boîte de vitesses." 13 août 2020

Ce billet n'a pas de commentaires. Soyez le premier à laisser un commentaire ci-dessous.

Vous devez être connecté avant de pouvoir poster un commentaire. Connecte-toi maintenant.