Les éoliennes à axe vertical, bien que moins répandues que leurs homologues à axe horizontal, présentent de nombreux avantages en termes de densité énergétique, de bruit et de protection de la faune. Leur sensibilité aux variations du débit d’air a jusqu’à présent ralenti leur développement.
Une équipe de chercheurs de l’EPFL a développé une solution innovante pour surmonter cet obstacle, ouvrant ainsi la voie à une utilisation plus large de cette technologie prometteuse.
Les premières éoliennes, développées au Moyen-Orient au VIIIe siècle pour moudre le grain, avaient un axe vertical (VAWT), c’est-à-dire qu’elles tournaient perpendiculairement au vent, et non parallèlement comme les éoliennes à axe horizontal (HAWT) que l’on connaît aujourd’hui.
Les VAWT présentent plusieurs avantages par rapport aux HAWT. Leur vitesse de rotation plus lente les rend moins bruyants et leur permet d’obtenir une plus grande densité de l’énergie éoliennece qui signifie qu’ils nécessitent moins d’espace pour une même production, tant sur terre qu’en mer. Leurs pales sont également plus respectueuses de la faune : comme elles tournent latéralement et non de haut en bas, elles sont plus faciles à éviter pour les oiseaux.
Un problème d’ingénierie qui ralentit leur développement
Malgré ces avantages, les VAWT sont largement absents du marché actuel de l’énergie éolienne. Selon Sébastien Le Fouest, chercheur au laboratoire UNFOLD de l’EPFL, cela est dû à un problème d’ingénierie lié au contrôle du débit d’airqui, selon lui, peut être résolu en combinant la technologie des capteurs et l’apprentissage automatique.
Dans un article récemment publié dans Nature Communications, Le Fouest et Karen Mulleners, responsable d’UNFOLD, décrivent deux profils de pas optimaux pour les aubes VAWT, qui peuvent augmenter le rendement de la turbine de 200 % et réduire de 77 % les vibrations menaçant la structure.
Transformer une faiblesse en un atout grâce au machine learning
Le principal inconvénient des VAWT est qu’ils ne fonctionnent bien qu’avec un flux d’air modéré et continu. L’axe de rotation vertical fait que les pales changent constamment d’orientation par rapport au vent. Une forte rafale augmente l’angle entre le flux d’air et la pale, formant un vortex dans un phénomène appelé décrochage dynamique. Ces tourbillons créent des charges structurelles transitoires que les pales ne peuvent pas supporter.
Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont monté des capteurs sur l’arbre d’une pale d’actionneur pour mesurer les forces aériennes agissant sur celui-ci. En inclinant la lame d’avant en arrière à différents angles, vitesses et amplitudes, ils ont généré une série de «profils de marche« . Ils ont ensuite utilisé un ordinateur pour exécuter un algorithme génétique, qui a effectué plus de 3 500 itérations expérimentales. Comme dans un processus évolutif, l’algorithme a sélectionné les profils d’étapes les plus efficaces et les plus robustes, et a recombiné leurs caractéristiques pour générer une « progéniture » nouvelle et améliorée.
Cette approche a permis aux chercheurs non seulement d’identifier deux ensembles de profils de pas qui contribuent à améliorer considérablement l’efficacité et la robustesse des turbines, mais également de transformer la plus grande faiblesse des VAWT en une force.
Le Fouest explique : « Le décrochage dynamique – le même phénomène qui détruit les éoliennes – peut en fait, à plus petite échelle, propulser la pale vers l’avant. Ici, nous utilisons vraiment le décrochage dynamique à notre avantage en redirigeant le pas des pales vers l’avant pour produire de la puissance. La plupart des éoliennes dirigent la force générée par les pales vers le haut, ce qui ne facilite pas la rotation. En changeant cet angle, non seulement nous formons un vortex plus petit, mais nous le repoussons simultanément au moment précis, créant ainsi une deuxième zone de production d’énergie sous le vent. »
Vers la commercialisation du VAWT
L’article de Nature Communications représente les travaux de thèse de Le Fouest en laboratoire SE DÉROULER. Il a désormais reçu un subside BRIDGE du Fonds national suisse (FNS) pour construire un prototype VAWT. L’objectif est de l’installer en extérieur afin de pouvoir le tester en temps réel dans des conditions réelles.
” Nous espérons que cette méthode de contrôle du débit d’air pourra amener la technologie VAWT à maturité afin qu’elle puisse enfin être commercialisée. », conclut Le Fouest.
Synthétique
Les éoliennes à axe vertical, bien que présentant de nombreux avantages, ont longtemps été freinées dans leur développement par leur sensibilité aux variations du débit d’air. Grâce à une approche innovante combinant capteurs et machine learning, des chercheurs de l’EPFL ont développé une solution pour surmonter cet obstacle et exploiter pleinement le potentiel de cette technologie.
Pour une meilleure compréhension
Quels sont les principaux avantages des éoliennes à axe vertical ?
Les éoliennes à axe vertical sont moins bruyantes, atteignent une plus grande densité d’énergie éolienne et sont plus respectueuses de la faune que les éoliennes à axe horizontal.
Quel est le principal frein au développement des éoliennes à axe vertical ?
Le principal obstacle est leur sensibilité aux variations du débit d’air, qui crée des tourbillons et des charges structurelles transitoires que les pales ne peuvent supporter.
Ils ont combiné la technologie des capteurs et l’apprentissage automatique pour identifier les profils de pas optimaux pour les pales, contribuant ainsi à augmenter l’efficacité et la robustesse des turbines.
Le décrochage dynamique est un phénomène qui crée des tourbillons lorsque l’angle entre le flux d’air et la pale augmente. Les chercheurs utilisent cela à leur avantage en réorientant le pas de la pale pour produire de l’énergie.
Quelles sont les perspectives pour les éoliennes à axe vertical suite à ces travaux ?
Ces travaux ouvrent la voie à la commercialisation d’éoliennes à axe vertical, qui pourraient ainsi contribuer significativement à la transition énergétique.
Les références
Légende de l’illustration : Sébastien Le Fouest et une lame VAWT expérimentale © Alain Herzog CC BY SA
Le Fouest, S., Mulleners, K. Contrôle optimal du pas des pales pour des performances améliorées des éoliennes à axe vertical. Nat Commun 15, 2770 (2024). 10.1038/s41467-024-46988-0
[ Rédaction ]
