NREL innove dans la production durable de pales d'éoliennes par fabrication additive

Une équipe de chercheurs du Laboratoire national des énergies renouvelables (NREL, Golden, Colorado, États-Unis), dirigée par l'ingénieur principal en technologie éolienne Derek Berry, continue de faire progresser ses techniques novatrices pour fabriquer des pales d'éoliennes avancées en approfondissant leur combinaison de thermoplastiques recyclables et de fabrication additive (FA). L'avancée a été rendue possible grâce au financement du Bureau de la fabrication avancée du Département de l'énergie des États-Unis — des prix conçus pour stimuler l'innovation technologique, améliorer la productivité énergétique de la fabrication américaine et permettre la fabrication de produits de pointe.

Aujourd'hui, la plupart des pales d'éoliennes à grande échelle ont la même conception en coquille : deux peaux de pale en fibre de verre sont collées ensemble avec adhésif et utilisent un ou plusieurs composants de raidissement composites appelés âmes de cisaillement, un processus optimisé pour l'efficacité au cours des 25 dernières années. Cependant, pour rendre les pales d'éoliennes plus légères, plus longues, moins chères et plus efficaces pour capter l'énergie éolienne — des améliorations critiques pour l'objectif de réduire les émissions de gaz à effet de serre en partie en augmentant la production d'énergie éolienne — les chercheurs doivent entièrement repenser la coquille conventionnelle, ce qui est l'objectif principal de l'équipe du NREL.

Pour commencer, l'équipe du NREL se concentre sur le matériau de la matrice de résine. Les conceptions actuelles reposent sur des systèmes de résine thermodurcissable comme les époxys, polyesters et esters vinyle, des polymères qui, une fois durcis, se réticulent comme des ronces.

« Une fois que vous produisez une pale avec un système de résine thermodurcissable, vous ne pouvez pas inverser le processus, » dit Berry. « Cela [aussi] rend la pale difficile à recycler. »

Travaillant avec l'Institut pour l'innovation dans la fabrication de composites avancés (IACMI, Knoxville, Tennessee, États-Unis) dans l'installation d'éducation et technologie de fabrication de composites (CoMET) du NREL, l'équipe multi-institutionnelle a développé des systèmes utilisant des thermoplastiques, qui, contrairement aux matériaux thermodurcissables, peuvent être chauffés pour séparer les polymères d'origine, permettant le recyclage en fin de vie (EOL).

Les pièces de pale thermoplastiques peuvent également être assemblées par un processus de soudage thermique qui pourrait éliminer le besoin d'adhésifs — souvent des matériaux lourds et coûteux — améliorant encore la recyclabilité de la pale.

« Avec deux composants de pale thermoplastiques, vous avez la capacité de les rapprocher et, par l'application de chaleur et pression, de les joindre, » dit Berry. « Vous ne pouvez pas faire cela avec des matériaux thermodurcissables. »

Pour l'avenir, NREL, avec les partenaires du projet TPI Composites (Scottsdale, Arizona, États-Unis), Additive Engineering Solutions (Akron, Ohio, États-Unis), Ingersoll Machine Tools (Rockford, Illinois, États-Unis), Université Vanderbilt (Knoxville) et IACMI, développera des structures de noyau de pale innovantes pour permettre la production rentable de pales haute performance, très longues — bien plus de 100 mètres de longueur — qui sont relativement légères.

En utilisant l'impression 3D, l'équipe de recherche dit pouvoir produire les types de conceptions nécessaires pour moderniser les pales de turbine avec des noyaux structurels hautement ingénierés, de forme nette, de densités et géométries variables entre les peaux structurelles de la pale de turbine. Les peaux de pale seront infusées en utilisant un système de résine thermoplastique.

S'ils réussissent, l'équipe réduira le poids et le coût de la pale de turbine de 10 % (ou plus) et le temps de cycle de production d'au moins 15 %.

En plus du prix principal AMO FOA pour les structures de pales d'éoliennes thermoplastiques FA, deux projets de sous-subvention exploreront également des techniques avancées de fabrication d'éoliennes. L'Université d'État du Colorado (Fort Collins) dirige un projet qui utilise également l'impression 3D pour faire des composites renforcés en fibres pour de nouvelles structures internes de pales éoliennes, avec Owens Corning (Toledo, Ohio, États-Unis), NREL, Arkema Inc. (King of Prussa, Pennsylvanie, États-Unis) et Vestas Blades America (Brighton, Colorado, États-Unis) comme partenaires. Le second projet, dirigé par GE Research (Niskayuna, NY, États-Unis), est surnommé AMERICA : Pales de rotor additives et modulaires et assemblage composites intégré. En partenariat avec GE Research : Laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL, Oak Ridge, Tennessee, États-Unis), NREL, LM Wind Power (Kolding, Danemark) et GE Renewable Energy (Paris, France).