Toutes les actualités / 24 août 2015

Matériaux et nouvelles Pales de grande longueur

A l’occasion de l’arrivée des Etats-Unis le 12 août 2015 de la nouvelle pale modulaire D78 de Blade Dynamics pour essais de 6 mois dans les installations d’ORE (Offshore Renewable Energy) Catapult à Blyth (UK), petit panorama des dernières tendances sur les matériaux et les pales de grande taille.

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Que ce soit pour les éoliennes offshore ou l’exploitation de sites moins ventés en terrestre, on a recours à des diamètres de rotor de plus en plus importants. Au-delà des possibilités « classiques » offertes par les contrôles de la rotation et du calage des pales, il s’agit de capter plus de puissance pour un site donné. L’énergie disponible évoluant avec le carré du rayon, on comprend tout l’intérêt d’allonger les pales. La dernière Vestas 8 MW atteint ainsi les 164 m, tandis que la gamme terrestre ECO 3 MW d’Alstom propose par exemple des rotors de 100, 110 et 122 m de diamètre.

Matériaux : le poids des pales évolue en conséquence ! Si une classique Vestas de 40 m, parmi les plus légères de sa catégorie, avoisine les 6,5 t, la toute dernière de 80 m dépasse les 33 t… Et l’augmentation de la masse du rotor (et nacelle) se répercute sur le mât et les fondations. En travaillant sur les composites, il s’agit donc de réduire cette masse spécifique des pales, tout en garantissant leur tenue en statique (rupture) et dynamique (fatigue)… et le coût !

Les fabricants de produits s’appliquent ainsi à améliorer toutes les étapes de la chaîne de fabrication, des matériaux aux procédés. Les résines époxy et leur composants, largement employées en éolien, font par exemple l’objet de développements de la part de BASF (sur la base des DMAPA, dimethylaminopropylamine, ou PEA, polyetheramines) ou Solvay (Rhodiamine™ Diaminocyclohexane). De nouvelles résines polymères apparaissent aussi (KetaSpire® et AvaSpire® de Solvay).

Blade_Foam_BASF_kerdynConcernant les mousses structurelles, dont les panneaux sont utilisés pour alléger les structures, après le SAN (styrène acrylonitrile) ou le PVC (polyvinyle chloride), sont arrivés les produits à base de PET (polyéthylène téréphtalate) réduisant masse et coût. The Dow Chemical Company a introduit la gamme COMPAXX dès 2011, 3A Composites l’AIREX® SealX en 2012 et BASF le produit Kerdyn® au Salon JEC 2013.

Image BASF: les fibres de verre (en gris) sont enrobées dans un la résine époxy Baxxodur® (en jaune) tandis que la mousse structurelle Kerdyn® (en ble) sert de stabilisant.

BASF_Coating_Test_Rotation_500kmh (3)Le revêtement des pales est aussi d’importance puisqu’il doit supporter l’influence des conditions externes : variations de températures, foudre, action des UV, l’abrasion etc. Limitée à 60-65 m/s il y a encore une dizaine d’années, la vitesse périphérique (et donc de rotation) augmente elle aussi progressivement avec la meilleure connaissance des contraintes de fonctionnement et de génération du bruit. Elle dépasse maintenant les 80 m/s soit plus de 300 km/h en bout de pale. Le phénomène d’érosion du bord d’attaque s’accentue et pose de nouveau challenge, en particulier pour l’offshore où la maintenance est coûteuse et délicate. (image BASF: impact de gouttes d’eau sur revêtement avec banc test tournant à 500 km/h)

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Les fabricants tels que 3M ou BASF se penchent sur le problème avec des solutions de revêtements polyuréthanes (à base par exemple de MDI, Methylene diphenyl diisocyanate) mais une solution pérenne sur le long terme, càd 20 à 30 ans, n’existe pas encore. Ainsi, l’ORE Catapult anglais a lancé fin 2014 sur 18 mois un projet collaboratif spécifique sur ce sujet de 1 M£, BLEEP.

La recherche sur des matériaux composites avancés est donc d’importance. Pour preuve, en janvier 2015, avec un budget total de 250 M$ financé à hauteur de 70 M$ par le Département de l’Energie américain, l’administration Obama a lancé l’IACMI (Institute for Advanced Composites Manufacturing Innovation) avec 122 entreprises, associations, universités et laboratoires de recherche. Cet institut travaillera sur de nouveaux outils de modélisation, de matériaux et procédés de fabrication pour réduire en 10 ans les coûts de production de 50% et d’énergie de fabrication de 75% tout en augmentant de 95% le recyclage de ces composites. En France, ces thématiques sont couvertes depuis 2012 par l’Institut de Recherche Technologique Jules Verne.

EnerconE126_Magdeburg_2010_3Structure : Avec des longueurs de plus de 60 m, le transport de telles pales devient problématique (sans parler de la fabrication), en particulier pour les implantations terrestres. C’est pourquoi, dès 2007, Enercon a proposé une pale en deux sections pour le montage de son éolienne E126 terrestre de 6 MW. Les 3 sections pied de pale sont alors montées avec le cône du rotor qui contient la partie tournante de la génératrice.

Modular_Blade_segment_joint_GamesaEn 2012, pour sa G128 de 5 MW, Gamesa a, à son tour, développé un concept de pale modulaire de 62,5m en 2 parties de longueur similaire, Innoblade® (prix éolien de l’innovation au salon JEC 2012). Comme il est impossible de scinder une structure composite, la conception interne de celle-ci est revue en profondeur et la partie extérieure de la pale est fixée à l’aide d’une interface métallique qui assure la continuité de reprise des efforts. A noter que le premier dépôt de brevet Gamesa pour ce concept remonte à 2005. Il a ensuite évolué de 2006 à 2011 en parallèle à la participation de Gamesa au projet européen UpWind (40 partenaires, financement cadre FP6) qui étudiait les limites et solutions pour les éoliennes de classe 10 à 20 MW. La conception de la structure interne, des inserts et de l’interface s’est par ailleurs inspirée des solutions utilisées en aéronautique.

Blade_Wetzel_seven-sectionsLes initiatives se poursuivent depuis avec par exemple le projet 2015-17 du danois LM Windpower et entre autre le centre de recherche en énergie hollandais ECN, Innotip, qui développe pour une même pale différentes extrémités, adaptables suivant le site, ou le projet de pale modulaire en 7 parties de l’américain Wetzel Blade.

Blade Dynamics a commencé la mise en œuvre de sa nouvelle conception en 2010 avec une première pale D49 (6,15 t) certifiée en 2012. Le projet anglais de pale offshore modulaire de grande taille, qui vise à développer une pale légère de plus de 100 m, a démarré en janvier 2013, financé à hauteur de 15,5 M£ par l’ETI (Energy Technologies Institute) avec le soutien de Siemens Wind Power, leader sur le marché offshore.

Blade_ATB_Siemens_Aerolastically tailored bladesEn 2012, Siemens avait déjà fait preuve d’innovation dans la conception de pale offshore en produisant la pale Quantum B75 pour le prototype SWT-6.0 de 154 m de diamètre, avec un système de fabrication one-shot. Ce procédé, appelé IntegralBlade®, supprime les joints de colle bords d’attaque et de fuite. La seconde génération de ces pales Quantum incorpora ensuite un couplage aéroélastique flexion/torsion de l’extrémité de pale pour réduire les charges qui s’appliquent sur le rotor et donc le reste de la structure.

La fabrication du nouveau prototype D78, destiné lui-aussi à la Siemens SWT-6.0, est donc cette fois réalisée en plusieurs parties au lieu du grand moule classique, en recourant au carbone pour alléger le poids. Fabriquée sur l’ile de Wight, l’extrémité de pale possède une nouvelle protection polymère de bord d’attaque. Appelée BladeShield, elle serait 5 fois plus résistante que les films polyuréthane classique et directement inclue lors du moulage pour respecter la forme aérodynamique du bord d’attaque. La partie principale du prototype D78 et l’assemblage ont été réalisés dans leurs installations américaines de la NASA Michoud, Nouvelle-Orléans. La pale a ensuite été transportée par bateau jusqu’au port de Blyth ou les équipes d’ORE Catapult vont procéder aux tests statiques et dynamiques pour vérifier la tenue de la pale.

MAJ octobre 2015: General Electric vient d’acquérir le groupe britannique Blade Dynamics et ses 2 usines américaine et anglaise.

M. Rapin, Délégué Général de CEVEO Cluster