03.04.2024 – 08h00
Fonds National Suisse / Fonds National Suisse
Berne (ots)
Afin de construire davantage d’éoliennes en Suisse, les scientifiques développent des modèles verticaux. Plus compacts, ils limitent les nuisances et pourraient même être plus productifs que les alternatives traditionnelles.
La réduction hivernale de la production électrique des installations solaires et des barrages représente l’un des défis majeurs de la transition énergétique suisse. Les éoliennes, dont la puissance double pendant la saison froide, pourraient jouer un rôle clé dans la transition vers les énergies renouvelables. Cependant, ils nécessitent beaucoup d’espace et sont bruyants. Il est donc difficile de trouver de nouveaux lieux propices à leur installation, notamment en Suisse, où la densité urbaine est forte et les zones inhabitées souvent escarpées ou protégées.
Une solution alternative pourrait être trouvée dans un nouveau type d’éoliennes développé par l’équipe de Karen Mulleners, professeure assistante financée par le Fonds national suisse (FNS). Le chercheur de l’EPFL s’intéresse en effet aux éoliennes à axe de rotation vertical, dont les pales perpendiculaires au sol tournent comme un carrousel autour de la tige centrale. Cette forme leur a valu le nom d’« éoliennes de type H ». Grâce à cette différence de structure, pour une même longueur de pale, elles prennent trois fois moins de place que les éoliennes classiques et sont également trois fois moins bruyantes. Ils sont également moins dangereux pour les oiseaux en raison de leur rotation plus lente et plus prévisible. Ils conviennent donc aussi bien à la densification des parcs éoliens existants qu’aux installations à proximité des zones urbanisées.
Mais un défi physique freinait jusqu’à présent leur développement : lorsque le vent rencontre un obstacle, selon les trajectoires et les vitesses impliquées, un courant d’air se crée derrière l’objet à contourner, générant tourbillons et turbulences. . Ce phénomène est appelé « décrochage dynamique ». Dans le cas des éoliennes, cela se produit si l’angle entre le vent et la pale devient trop grand. Les installations classiques ne rencontrent pas ce problème, puisqu’elles tournent dans l’axe du vent. Au contraire, les pales des éoliennes verticales sont particulièrement touchées. Leur axe de rotation est perpendiculaire au vent, l’angle entre celui-ci et les pales varie constamment. Dès que le vent atteint une certaine vitesse, ils ont tendance à décrocher. Dans une étude récemment publiée dans la revue Nature Communications
l’équipe lausannoise montre qu’il est néanmoins possible de résoudre ce problème.
Une installation miniature pour tester l’impact des conditions de vent
L’objectif de Karen Mulleners est de limiter le décrochage dynamique de ces éoliennes en permettant aux pales de changer d’inclinaison. Pour ce faire, son équipe a installé des moteurs qui font tourner partiellement les pales sur elles-mêmes lors de leur rotation globale autour de l’axe de l’éolienne. « Un bateau a besoin d’un équipage qui ajuste les voiles pour maintenir sa trajectoire avec le vent, illustre Sébastien Le Fouest, premier auteur de l’étude. En équipant les pales des éoliennes de petits moteurs, nous leur donnons un capitaine pour qu’elles puissent elles aussi s’adapter aux conditions.
Encore faut-il savoir quelle inclinaison de la lame permettra une rotation optimale. De nombreux laboratoires utilisent des simulations informatiques pour ce type de problèmes. Une solution loin d’être optimale, tant les flux générés autour d’une éolienne de type H en fonction du vent sont compliqués à prévoir et à modéliser. Le groupe lausannois a donc créé une éolienne miniature monopale en soufflerie. Des capteurs ont ensuite été installés pour mesurer l’énergie produite.
L’équipement calcule également les forces subies par les différents composants de l’éolienne et les trajectoires des particules d’air. Cette installation particulière permet de tester et de comprendre rapidement l’impact de différentes « danses d’éoliennes », comme aime les appeler Sébastien Le Fouest, en fonction des conditions de vent. « J’obtiens des mesures en une minute qui mettraient trois semaines à sortir d’une simulation », précise le chercheur, qui ne regrette donc pas les trois années investies dans le développement de l’appareil. « Ce type d’optimisation expérimentale peut paraître simple à mettre en œuvre, mais il est le fruit d’un engagement collectif exceptionnel », ajoute Karen Mulleners.
Triplez le rendement par rapport aux modèles classiques
Une fois le système développé, l’équipe lausannoise a testé des milliers de conditions à l’aide d’un algorithme dit génétique, qui applique la logique de sélection naturelle aux paramètres testés. Cette méthode sélectionne donc les réglages qui aboutissent à un compromis optimal entre le meilleur rendement électrique et la préservation de la structure de l’éolienne. Les scientifiques ont ainsi pu tripler le rendement de l’éolienne du laboratoire. Pour transposer ces chiffres à l’échelle industrielle, il faut prendre en compte la présence de plusieurs pales et le changement de taille. « Nos données montrent que nous pourrions probablement atteindre, voire dépasser, à la fois la durée de vie et le rendement des éoliennes classiques », estime Sébastien Le Fouest. Une idée que le chercheur souhaite concrétiser grâce au financement Bridge du FNS et d’Innosuisse qu’il a obtenu en octobre 2023. Son projet a le vent en poupe, puisqu’une collaboration a déjà été lancée avec une entreprise en Suisse pour tester ces résultats sur un prototype industriel.
S. Le Fouest et K. Mulleners : Contrôle optimal du pas des pales pour des performances améliorées des éoliennes à axe vertical. Communications naturelles (2024).
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Soutien aux jeunes chercheurs dans le domaine de l’énergie
Ces travaux ont bénéficié de l’instrument «Assistant Professor (AP) Energy Grants» du FNS. L’appel d’offres, lancé entre 2013 et 2016 dans le cadre de la Stratégie énergétique 2050 de la Confédération, visait à financer le lancement de nouveaux projets de recherche liés à l’énergie dans des laboratoires récemment ouverts.
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Le texte de ce communiqué de presse, une image à télécharger et de plus amples informations sont disponibles sur le site Internet du Fonds national suisse.
Contact:
Sébastien Le Fouest et Karen Mulleners ;
EPFL / Laboratoire de diagnostic des écoulements instables ;
EPFL STI IGM DÉPLOYÉ ;
MED 0 2426 (Bâtiment MED) ;
Poste 9 ;
1015Lausanne;
