On dirait que chaque semaine, une nouvelle innovation en matière d’aérogénérateur est dévoilée, parfois dans des blogs technologiques, parfois dans des segments télévisés, parfois même dans des TED Talks. Elles prétendent toutes être meilleures que les éoliennes iconiques à trois pales et à axe horizontal que nous connaissons le mieux. Quelle est donc la conception la plus efficace pour capter l’énergie éolienne ? Si chaque conception était soumise à une source de vent constante, et si chaque conception avait la même surface (pour les pales, les aérofils, ou tout autre composant), laquelle produirait le plus d’électricité sur le même intervalle de temps ?
Réponse courte
Une éolienne moderne à axe horizontal et à trois pales produirait le plus d’électricité. Les affirmations de performances supérieures par des technologies alternatives accompagnées de demandes d’investissement doivent être considérées de manière extrêmement sceptique.
Réponse longue
La production potentielle maximale d’un volume de vent est déterminée par la loi de Betz (alternativement appelée limite de Betz). Betz a calculé que la puissance maximale que l’on pouvait tirer du vent était de 59,3% de son énergie totale.
Éoliennes tripales à axe horizontal
Éoliennes à axe vertical-à axe vertical avec pales aérodynamiques
Câblé, aérogénérateurs volants (prototypes et rendus seulement à l’heure actuelle)
Éoliennes à axe horizontal.à axe horizontal de divers types, sans composante aérodynamique sur les pales
Éoliennes à axe verticalà axe vertical de différents types, comme la génératrice de Savonius sans pales aérodynamiques
Divers dispositifs qui ressemblent à des moteurs à réaction, ou des moteurs à réaction avec de grands entonnoirs, des cônes avec des pistons (le Saphonien ) ou des tire-bouchons
Tours qui utilisent le chauffage solaire passif autour de leur base pour créer des vents forts s’écoulant vers le haut de la tour en passant par les pales des éoliennes tournant à l’intérieur de la tour
Comment se comparent-elles ?
Il y a plus de 300 000 éoliennes à trois pales, à axe horizontal, à usage collectif, qui produisent de l’énergie aujourd’hui. Elles sont la forme de production gagnante parce qu’elles sont les plus efficaces. Les raisons sont faciles à expliquer :
Les pales aérodynamiques ajoutent une composante de force liée à la portance pour entraîner la pale plus rapidement. C’est un avantage significatif par rapport aux éoliennes, qu’elles soient à axe horizontal ou vertical. N’importe quelle éolienne, même conçue de manière adéquate, avec des pales aérodynamiques, produira toujours plus d’électricité que le meilleur générateur sans portance aérodynamique comme composante de la capture d’énergie.
Les pales de la conception à trois pales volent toujours dans de l’air pur. Les turbulences du passage de la pale précédente ont été emportées sous le vent au moment où la pale suivante passe au même endroit. Les éoliennes à axe vertical, qu’elles soient à pales ou à traînée pure, volent dans de l’air turbulent pendant un pourcentage important du temps. L’air pur permet aux HAWT à trois pales de bénéficier d’un avantage non négligeable.
Les pales de la conception tripale sont toujours présentées à l’angle optimal par rapport au vent entrant. Les éoliennes aérodynamiques à axe vertical changent constamment l’angle de leurs pales par rapport au vent en rotation, et même les meilleures conceptions ne sont qu’en partie à un angle optimal à tout moment. L’alignement des pales des HAWT par rapport à l’air entrant nécessite une quantité d’énergie insignifiante par rapport à cet avantage. Les aérogénérateurs Savonius (du nom d’un ingénieur finlandais qui a créé une variante courante en 1922) sont encore pires, car ils captent le vent dans la concavité de la moitié de leur surface et le rejettent sur la partie convexe, ce qui entraîne une traînée et des turbulences supplémentaires sur l’autre moitié de leur surface. (J’ai analysé un investissement potentiel pour une petite entreprise dans une capacité de microgénération et j’ai vu que l’inventeur avait créé 5 « innovations » autour du principe de base de Savonius qui l’ont fait passer d’une forme d’énergie bon marché suffisante pour des utilisations mineures d’irrigation à une forme très coûteuse de génération d’énergie suffisante pour des utilisations mineures d’irrigation). Pour le contexte, voici un moulin à vent d’irrigation Savonius rentable fabriqué à partir d’un vieux baril en plastique et de quelques chutes de bois.
Les tripales s’échelonnent bien. L’un des plus grands avantages est que vous pouvez mettre un très grand ensemble de pales sur une très haute tour et recueillir beaucoup de vent au-dessus du point où il ralentit en raison du contact avec le sol.
De nombreuses conceptions « innovantes » ont été proposées qui utilisent une sorte d’effet Venturi en combinaison avec des rotors de turbine, mais le problème fondamental est que pour recueillir suffisamment de vent, vous devez mettre à l’échelle l’enveloppe extérieure jusqu’au point où le poids et les coûts des matériaux deviennent prohibitifs. L’enveloppe extérieure doit être au moins égale au carré du diamètre, voire plus. Une éolienne de 3 MW avec des pales de 80 mètres peut capter une partie de l’énergie de 20 096 mètres carrés d’air. Une coquille de Venturi à cette échelle aurait une circonférence de 251,2 mètres, devrait probablement avoir une largeur d’au moins 10 mètres avant que des effets notables ne commencent à se manifester et pèserait énormément.
D’autres conceptions « innovantes » font voler des dispositifs de capture du vent d’une sorte ou d’une autre – des pales de turbine en forme de dirigeable, des cadres avec des turbines, des cerfs-volants avec des turbines – dans un vent plus constant et plus haut par rapport au sol. Le problème est que ces dispositifs se heurtent constamment à des limites d’échelle. L’éolienne en forme de ballon commence à avoir des problèmes de rigidité bien avant d’être utilisée à l’échelle industrielle. Les cerfs-volants dotés de pales nécessitent des câbles massifs et très longs pour résister aux forces. En général, ces prototypes sont très intéressants et ne sont jamais commercialisés. Tous ces systèmes requièrent des installations terrestres massives avec des treuils de taille extraordinaire lorsque l’on souhaite obtenir des niveaux de production d’énergie utiles. Quand vous commencez à penser à des niveaux de force de type ship-hawser multipliés par des kilomètres de câble, vous commencez à réaliser que le poids et la dépense du câble seul deviennent prohibitifs à n’importe quel niveau utile de génération.
Les tripales restent simplement assises au même endroit sur un gros pilier quand elles produisent de l’électricité. C’est très efficace, ce qui est l’une des raisons pour lesquelles elles remboursent l’énergie utilisée dans la construction plus rapidement que toute autre forme de production électrique. Un parc éolien en Australie a produit en un an 302 fois l’électricité utilisée pour les démarrer, les freiner et les faire tourner dans le vent. Comparez cela aux exigences d’une éolienne volante qui doit être transportée lorsque le vent ne souffle pas, lancée lorsque le vent commence et dispose d’un lourd câble potentiellement long de plusieurs kilomètres ajusté pour maximiser la production régulièrement.
Le graphique ci-dessous est tiré du livre de 2006 de E. Hau, Wind Turbines : Fondamentaux, technologies, application, économie. Springer. Allemagne. 2006. Même à l’époque, ce n’était pas une nouvelle nouvelle, mais simplement une déclaration évidente à inclure dans les manuels.
La tour solaire-éolienne avec des pales de turbine se rapproche le plus d’une technologie intéressante, cependant la maintenance n’est jamais explorée. Les turbines sont souvent envisagées comme étant empilées de 3 à 7 ou plus horizontalement sur la longueur de la tour. D’autres, beaucoup plus petites, sont espacées autour de la base de la tour, à l’intérieur des tunnels qui partent de la vaste surface vitrée. Ils fonctionneront dans des vents très chauds, probablement 45 degrés Celsius ou plus, à des vitesses de 50 km/h et plus. En fait, le dispositif est un four à convection qui ferait cuire un humain en peu de temps. Pour travailler à l’intérieur de la tour, il faudrait des combinaisons réfrigérées et des appareils respiratoires, si tant est que la vitesse du vent le permette. Sortir la tête ou les pales de l’éolienne de la tour pour les entretenir serait un travail extraordinaire. Fermer l’entrée du vent nécessiterait de fermer des portes sur un diamètre de cinq kilomètres.
Lisez attentivement mon post connexe Investir ; les » innovations » en matière d’énergie éolienne sont rarement kasher pour les questions à poser sur toute pièce innovante de production éolienne, surtout si quelqu’un vous demande d’y mettre de l’argent.
http://en.wikipedia.org/wiki/Betz’_law
Pourquoi les éoliennes à axe vertical ne sont-elles pas plus populaires ?
Les éoliennes aériennes sont-elles une source plausible d’énergie bon marché ?
http://www.dailymail.co.uk/sciencetech/article-2019197/Arizona-solar-power-tower-worlds-2nd-tallest-building.html
http://www.energymatters.com.au/index.php?main_page=news_article&article_id=3325
Les éoliennes remboursent la « dette » environnementale totale en moins de six mois
http://www.gwec.net/global-figures/wind-in-numbers/
http://www.windpowerengineering.com/construction/simulation/seeing-the-unseeable-in-a-rotor-wake/
http://www.skysails.info/english/power/power-system/skysails-power-system/
L’excellent matériel de Paul Gipe sur l’économie de la production éolienne
.
