Révolutionner l'hydroélectricité : pales de turbine composites pour un rendement supérieur

Le terme « énergie hydroélectrique » évoque souvent d'immenses installations pilotées par des infrastructures dédiées telles que les systèmes de barrages et de grandes turbines à pales traditionnellement métalliques, de type hélice. Cependant, de nombreuses régions n'ont plus de nouvelle capacité pour de grandes centrales hydroélectriques de haute puissance. Dans le même temps, la demande d'une production d'énergie renouvelable plus abondante et moins coûteuse continue de croître.

Le Département de l'Énergie des États-Unis (DOE), dans son rapport « Hydropower Vision » de 2018 décrivant l'état actuel de l'hydroélectricité aux États-Unis et ses objectifs futurs, a prédit que la croissance du marché hydroélectrique américain — de 101 gigawatts (GW) de capacité énergétique en 2018 à une capacité potentielle de près de 150 GW en 2050 — nécessiterait de nouvelles technologies avancées capables de fournir plus d'énergie à moindre coût.

Solution pour les faibles débits

Une solution potentielle pourrait être des générateurs hydroélectriques plus petits capturant l'énergie inexploitée de systèmes à faible débit comme les canaux d'irrigation et les ruisseaux, selon Darren Wren, directeur général de Kinetic NRG (Gold Coast, Australie). Fondée en 2016 par le fondateur décédé Paul Camilleri, Kinetic NRG est une entreprise d'énergie renouvelable à financement privé axée sur le développement de nouvelles technologies de production hydroélectrique pour fournir de l'électricité fiable à faible coût.

La première technologie de la société s'appelle le système Hydro-kinetic Energy Generator (HEG), qui mesure 1,5 mètre de diamètre avec une puissance allant jusqu'à 30 kilowatts (kW) à partir de flux d'eau de 2,0 mètres par seconde. Cette puissance en fait un système hydroélectrique « micro » selon des organismes de classification comme le DOE américain, qui définit les systèmes micro comme ceux ayant jusqu'à 100 kW de capacité. Destiné à une utilisation directe dans les rivières, canaux d'irrigation ou canaux de décharge canalisant l'eau des barrages existants, le HEG est conçu pour l'hydroélectricité à faible chute — signifiant que la « chute », ou distance entre la ligne d'eau et la turbine, est inférieure à 20 mètres.

Conception d'une pale modulaire et fabriquable

Les premiers modèles de pale spiralée à petite échelle de Kinetic NRG étaient en métal, mais quand est venu le moment de fabriquer le prototype à pleine échelle de 1,5 mètre de diamètre, « nous avons en fait découvert que nous ne pouvions pas le fabriquer », explique Wren. Le concept consistait à partir d'une pièce plate de métal puis à former ou forger un ensemble de spirales rayonnant depuis le centre. « Nous n'arrivions tout simplement pas à accéder à certains points de la pièce pour créer la résistance dont nous avions besoin », explique-t-il.

La société a finalement abandonné ses efforts métalliques, mais pas le design lui-même. Wren indique que Kinetic NRG s'est associé à une université locale pour explorer des techniques et matériaux de fabrication alternatifs comme le nylon ou la céramique, et a commencé à discuter avec des entreprises d'impression 3D pour voir si la fabrication additive pouvait être une option viable. Aucune solution ne s'est présentée offrant la bonne combinaison de fabricabilité et de propriétés mécaniques. Finalement, après un parcours de trois ans, Kinetic NRG a été présenté via une connexion de réseau d'approvisionnement à l'équipe de la société d'ingénierie Advanced Composite Structures Australia (ACS-A, Melbourne), spécialisée dans la conception et la fabrication de composants composites à faible volume et à haute valeur ajoutée pour divers marchés finaux.

Wren qualifie ce qui s'est passé ensuite de « rencontre d'esprits », expliquant que Kinetic NRG a travaillé avec Paul Falzon, directeur général d'ACS-A, et son équipe sur diverses méthodes pour fabriquer et concevoir la pièce en utilisant des matériaux composites — des matériaux qu'ACS-A savait par expérience capables de fournir la forme, le poids et la rigidité requis par Kinetic NRG.

La forme innovante de la pale était le défi clé de conception du projet, avec des exigences mécaniques pour la pale basées, selon Wren, sur les normes définies par le DOE américain et la Commission Électrotechnique Internationale. Le reste des composants du système — transmission, gestion de l'énergie, communication, etc. — sont des produits standards prêts à l'emploi connus pour répondre à toutes les réglementations nécessaires.

Selon Falzon, ACS-A a d'abord évalué les tentatives métalliques de conception de la pale, puis déterminé comment atteindre la forme requise, les tolérances dimensionnelles et le poids de la pale. La pale devait également résister aux environnements aquatiques et être assez rigide pour supporter l'arbre en acier de la turbine sur lequel elle est fixée. L'équipe ACS-A est partie du design métallique original et a « rétro-conçu » une pale en composite de fibres de verre pour correspondre à la rigidité d'origine, explique Falzon. Cependant, certains changements de conception ont dû être effectués lors du passage d'une structure métallique soudée à un stratifié composite. Comme l'explique Falzon : « Nous avons pris du recul et nous sommes demandé : "D'accord, si nous allons tirer pleinement parti des matériaux composites, à quoi cela ressemble-t-il ?" »

Après plusieurs itérations et discussions, le design actuel qui a pris forme comprend quatre pales composites identiques qui s'imbriquent pour former la forme spiralée finale. « La pale composite est en fait plus épaisse que le design en acier, mais plus légère en raison de la densité plus faible des matériaux avec lesquels nous travaillons », dit Falzon. « Être plus épais signifie aussi que nous obtenons beaucoup plus de rigidité en flexion par rapport au design en acier, donc vous obtenez en fait un produit globalement beaucoup plus rigide. »

Outillage inversé

Le développement de la forme pour l'outillage, dit Falzon, a été la partie la plus difficile du processus. L'équipe ACS-A a évalué la forme de l'assemblage de pale original en utilisant le logiciel CATIA de Dassault Systèmes (Waltham, Mass., États-Unis). Cela a conduit au développement des surfaces de pale et à la conception de concepts d'outillage. « Quand vous regardez les pièces telles qu'elles sont aujourd'hui, elles sont en fait fabriquées dans une orientation inversée. Le modèle de pale a dû être inversé pour créer l'outillage, et c'est bizarre jusqu'à ce que vous voyiez l'outillage réel quand il arrive. C'est assez complexe », dit Falzon. Il explique que l'outillage a dû être inversé « pour s'assurer que nous pouvions obtenir la finition de surface requise sur le côté de la pale exposé au flux d'eau », et pour garantir que chacun des composants de pale fabriqués pouvait être démoulé en une seule pièce. L'outillage devait également être précis : les composants de pale s'imbriquant devaient pouvoir s'aligner exactement lors de l'assemblage, entre eux et avec l'arbre central de la turbine. Pour le prototype, l'outillage, fourni par Sykes Australia (Sydney), a été fabriqué à partir de pâte d'outillage à faible coût déposée sur un support en mousse, puis usinée CNC à la forme finale.

Une fois l'outillage développé, le prototype de pale à pleine échelle actuel a été construit à partir de tissu multiaxial sans méplat (NCF) en fibres de verre et de résine époxy, fabriqué par stratification manuelle et polymérisé à température ambiante, suivi d'une post-cuisson au four à température élevée et d'une application de peinture marine. Les matériaux ont été sélectionnés, note Falzon, pour répondre aux exigences structurelles et de coût de la pièce. Les sous-composants s'imbriquant sont collés par adhésif — choisi plutôt que le fixation mécanique pour un meilleur contrôle et une meilleure précision dimensionnelle lors de l'assemblage. « Le vrai tour de force », dit-il, « est de s'assurer que les pales peuvent s'imbriquer, mais une fois que nous stratifions le tout et le collons ensemble, cela forme un assemblage très rigide qui atteint la performance structurelle et hydrodynamique requise. »

L'analyse numérique de la rigidité de la structure et d'autres propriétés mécaniques a été réalisée à l'aide d'outils de MSC Software (Newport Beach, Californie, États-Unis). « Ce système est beaucoup plus efficace, plus léger et capable de faire plus de travail que le design original », ajoute Falzon.

Vers la production commerciale

Selon Wren, l'objectif de production initial de Kinetic NRG sera de 950 unités sur une période de trois ans, puis une montée en charge à plusieurs milliers par an. Les clients potentiels, dit Wren, peuvent inclure des particuliers et des entreprises, des compagnies d'électricité et des municipalités — une large gamme, soulignant la polyvalence du concept HEG. Les systèmes peuvent être installés comme « mini centrales hydroélectriques » dans les canaux d'irrigation, ou placés en aval de générateurs hydroélectriques existants pour produire de l'énergie à partir de sous-flux sous-utilisés, ou comme alimentation supplémentaire pour des communautés ou entreprises isolées.

Actuellement, le prototype HEG à pleine échelle subit des essais mécaniques en eau ; pendant ce temps, des processus de fabrication à grande échelle sont évalués pour la production commerciale.

ACS-A s'attend à continuer d'affiner la conception de la pale, si nécessaire, en fonction des résultats des essais mécaniques et des exigences pour la fabrication la plus rentable possible. Plus précisément, Falzon dit qu'ACS-A explore des processus de préformage automatisés « pour obtenir la bonne forme avec un minimum de main-d'œuvre manuelle », suivis de moulage par transfert de résine léger (L-RTM) ou d'un autre procédé à plus haute vitesse.

Les méthodes d'assemblage de la turbine sont également en cours d'évaluation, l'objectif étant, dit Wren, que les sous-composants de pale soient produits de manière modulaire et assemblés localement, pour éviter les coûts et les défis de l'expédition d'unités entières à pleine échelle tout en créant des opportunités d'emploi locales et en réduisant les coûts d'installation. Pour rendre cela possible, ACS-A pourrait avoir besoin de modifier la façon dont les pales s'imbriquent et le nombre de sous-composants dans chaque assemblage. « Nous aurons toujours les pales complètes dans leur forme originale, ce sera toujours une partie clé », dit Wren, « mais nous pourrions changer où se produisent les transitions afin de réaliser la même forme en moins de composants pour un assemblage sur site plus facile. »

Les deux entreprises évaluent également la conversion de composants métalliques de la turbine en composites, pour réduire le poids de l'assemblage global. « Nous utiliserons de la fibre de verre là où c'est approprié et de la fibre de carbone là où c'est approprié, mais en fin de compte, nous devons atteindre un prix pour la technologie afin de rendre le coût de production d'énergie du système compétitif », dit Falzon.

Alors que la conception et le processus de fabrication approchent de l'optimisation, le prochain défi sera, selon Wren, d'obtenir les bons investissements et partenariats de fabrication pour passer à des volumes commerciaux.