Développements dans les systèmes éoliens aéroportés

L’énergie éolienne aéroportée a évolué au cours de la dernière décennie, passant d’un ensemble d’idées conceptuelles et de premiers tests à petite échelle à un secteur de recherche et développement florissant, produisant une grande variété de développements avec des puissances allant jusqu’à plusieurs centaines de kilowatts.

Crédit d’image : yanikap/Shutterstock.com

Système d’énergie éolienne aéroporté

Le système d’énergie éolienne aéroporté (AWES) est un système d’énergie renouvelable unique qui exploite l’énergie cinétique du vent à haute altitude en utilisant des dispositifs aérodynamiques ou aérostatiques au lieu des éoliennes traditionnelles.

Comment l’énergie éolienne aéroportée peut-elle être utilisée ?

Des cerfs-volants, des aérostats, des kytoons et des planeurs sont utilisés pour exploiter l’énergie cinétique des vents à haute altitude. Une fois que l’énergie mécanique a été extraite de l’énergie cinétique du vent, elle peut être utilisée de diverses manières, y compris la propulsion directe, la conversion électrique en altitude ou à la station au sol, et la conversion en micro-ondes ou laser pour la puissance rayonnant les récepteurs au sol ou les aéronefs.

Bien qu’il y ait de nombreux obstacles à surmonter, un système d’énergie éolienne aéroporté s’avérera être une méthode plus efficace et plus rentable d’extraire l’énergie du vent que l’énergie éolienne ordinaire.

Recherche et développement en cours

Altaeros Energies a créé une éolienne flottante qui était un hybride d’un dirigeable et d’une éolienne. L’éolienne de haute altitude a une conception simple. Une coque gonflable gonflée à l’hélium le propulse à une altitude plus élevée, là où les vents sont plus puissants qu’au ras du sol.

Les turbines à haute altitude sont soutenues par des câbles massifs transportant l’énergie générée vers le sol. Comparé à une éolienne ordinaire, le prototype produisait plus du double de la quantité d’énergie.

Makani Technologies, acquise plus tard par Google, a créé une grande éolienne en forme de cerf-volant qui exploitait la puissance des vents à haute altitude. L’aile en fibre de carbone de 30 m de ce cerf-volant est reliée à des éoliennes.

Il peut voler jusqu’à 600 mètres au-dessus du sol et générer 600 kW de puissance. Un long câble transfère l’énergie générée au réseau électrique, soit au sol, soit à des bouées marines. La façon dont KiteGen récolte l’énergie diffère des méthodes traditionnelles d’extraction de l’énergie éolienne. Dans son approche, il laisse tous les équipements de production au sol, réduisant ainsi le poids de la structure aérienne, puis transférant la puissance de torsion physique le long d’un câble qui relie le cerf-volant au sol pour générer de la puissance.

Les cerfs-volants sont fabriqués semi-rigides et pilotés automatiquement pour capter l’énergie du vent à une altitude d’environ 900 mètres. La puissance est envoyée au sol via des lignes très stables, qui contrôlent également la direction et l’angle des cerfs-volants par rapport au vent. Comme avantage supplémentaire, la hauteur de travail du système peut être modifiée pour correspondre aux conditions de vent actuelles.

Joby Energy a conçu une conception à plusieurs ailes qui permet l’installation de plusieurs turbines sur leur AWES. Les turbines sont couplées à des moteurs-générateurs, qui fournissent la poussée au décollage et la puissance tout au long du vol perpendiculaire au vent.

Un système informatique dynamique maintient l’orientation en vol en contrôlant les profils aérodynamiques sur les ailes et en contrôlant de manière différentielle la vitesse du rotor. La puissance est transmise par un câble composite renforcé, qui maintient le système au-dessus du sol. La grande redondance de la conception du réseau de turbines lui permet de rester en l’air même si certains de ses composants tombent en panne.

La start-up néerlandaise Kitepower a déployé avec succès son système d’énergie éolienne aéroporté Falcon 100kW dans les Caraïbes dans le cadre d’un projet REACH financé par l’UE. Une station au sol, un amarrage, une unité de contrôle et un cerf-volant composent le système.

Lorsque le cerf-volant vole, il génère de l’énergie cinétique, qui est convertie en électricité par la station au sol. La solution est idéale pour les populations isolées car elle est portable, simple à installer et utilise des matériaux économiques.

SkySails Power et RWE Renewables visent à utiliser les vents à haute altitude pour créer de l’électricité en déployant un cerf-volant de 120 mètres carrés jusqu’à 400 mètres au-dessus du sol. Le cerf-volant tire la corde du treuil tout au long de son ascension contrôlée, et le générateur embarqué génère de l’énergie électrique à partir de son énergie de rotation.

Sa capacité maximale actuelle varie de 100 à 200 kilowatts. Cependant, cette technologie a le potentiel de faire passer sa production de kilowatts à mégawatts, ce qui en fait une option viable pour les immenses parcs éoliens.

Qu’est-ce qui rend l’AWES plus attrayant que les systèmes conventionnels ?

La technologie éolienne aéroportée utilise une attache légère pour remplacer les structures massives des systèmes éoliens traditionnels, réduisant l’encombrement jusqu’à 90 % et réduisant potentiellement les émissions du cycle de vie et l’empreinte visuelle. De plus, l’attache permet au vent aérien de capturer des vents plus forts et plus constants à des altitudes plus élevées.

Par rapport aux éoliennes plus traditionnelles dans des régions ou des marchés spécifiques, les intrants de masse inférieurs, une logistique plus simple et un facteur de capacité potentiellement meilleur (la fraction de temps pendant laquelle le système fournit une quantité nominale d’électricité) peuvent entraîner une baisse des coûts énergétiques.

Défis des systèmes éoliens aéroportés

Si l’AWES tombe en panne, il ne peut pas s’arrêter en plein vol et attendre de l’aide ; il doit être à sécurité intégrée, retournant au sol en toute sécurité tout en évitant les individus ou les biens à proximité. De plus, il doit y avoir un système de lancement et de récupération puissant et automatisé et une protection contre les intempéries appropriée pour les déploiements à grande échelle.

Le bruit, l’atténuation des radars, les impacts sur la faune, la conformité au réseau et l’utilisation de l’espace aérien ne sont que quelques-unes des considérations réglementaires et d’assise qui devront être étudiées et résolues avec les bonnes parties.

Perspectives d’avenir

Les systèmes éoliens aéroportés ont fait des progrès substantiels en recherche et développement au cours de la dernière décennie. L’énergie éolienne aéroportée peut être une source d’énergie substantielle et deviendra bientôt une source d’énergie dominante si elle peut être exploitée à peu de frais. D’autre part, il s’agit d’une technologie encore jeune et non éprouvée qui nécessite encore beaucoup de travail avant de pouvoir être utilisée à grande échelle à l’échelle nationale.

Références et lectures complémentaires

En ligneBolonkin, A. (2014). Innovations et nouvelles technologies (v. 2). p.64 https://www.researchgate.net/profile/Alexander-Bolonkin/publication/272792333_Innovations_and_New_Technologies_v2/links/54ee9f800cf2e55866f336f1/Innovations-and-New-Technologies-v2

CORDIS. (2021). L’énergie éolienne à haute altitude franchit une nouvelle étape. [Online] CORDIS Commission européenne. Disponible sur : https://cordis.europa.eu/article/id/435387-high-altitude-wind-power-reaches-new-milestone (consulté le 15 avril 2022).

de Souza Mendonça, AK, Braga, TG, & Bornia, AC (2020). Systèmes éoliens aéroportés : état actuel et défis pour atteindre le marché. Disponible sur http://portalabepro.educacao.ws/ijcieom/restrito/arquivos/icieom2020/FULL_0010_37171.pdf

En ligneGupta, Y. (2018). Système éolien aéroporté : contrôle et expérimentation (Thèse de doctorat, Université Grenoble Alpes). Disponible sur : https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-02113723v1/document

RWE. (2021). RWE Renewables et SkySails Power exploitent les vents de haute altitude pour une production d’énergie innovante. [Online]. Disponible sur : https://www.rwe.com/en/press/rwe-renewables/2021-01-26-rwe-renewables-and-skysails-power-harness-winds-for-innovative-power-generation (consulté le 15 avril 2022).

Samson, J., Katebi, R. et Vermillion, C. (2013). Une évaluation critique des systèmes éoliens aéroportés. DOI : 10.1049/cp.2013.1852

Département de l’énergie des États-Unis. (2021). Défis et opportunités pour l’énergie éolienne aéroportée aux États-Unis. [Online] Rapport du Département de l’énergie des États-Unis au Congrès. Disponible sur : https://www.energy.gov/sites/default/files/2021-12/report-to-congress-challenges-opportunities-airborne-wind-energy-united-states.pdf (consulté le 15 avril 2022 ).

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