Ma petite turbine éolienne à l’axe vertical

Voilà qu’arrive ce qui a dû arriver. Lorsque je me plonge dans les faits, je ne le fais jamais impunément. Une fois que je prends du goût dans l’observation de réalité telle qu’elle est, ça devient presque une obsession. Ainsi donc, dans mes deux mises à jour précédentes, j’avais tourné autour de cette hypothèse que « Les technologies d’exploitation des sources renouvelables d’énergie sont dans leur phase de banalisation, avec une adaptation de plus en plus poussée et réciproque entre lesdites technologies et les structures sociales qui les absorbent » (consultez Ça me démange, carrémentainsi que Good hypotheses are simple) Eh ben, ça m’a accroché. J’ai voulu voir d’un peu plus près ce que ça pourrait bien vouloir dire dans la vie réelle. J’ai donc pioché un peu dans les demandes de brevet, déposées à l’Office Européen des Brevets, et j’ai déniché cette invention intéressante – une turbine éolienne en forme d’une chaîne d’ADN, soumise par un groupe d’inventeurs Slovaques : Marcela Morvová, Vladimír Chudoba, Lubomír Stano, Andera Zilková et Michal Amena. Si vous cliquez sur ce long lien hypertexte, vous verrez par vous-mêmes : une petite merveille.

Ladite petite merveille appartient à la famille des turbines à l’axe vertical. C’est une technologie relativement jeunotte. Le gros de l’énergétique éolienne est basé sur les turbines à l’axe horizontal, qui, à leur tour, sont des versions plus ou moins Tech du bon vieux moulin à vent Hollandais : une p***in de grosse hélice, à grand rendement, positionnée à la verticale. Remarquez : dans les axes horizontaux, il y a du changement aussi. Il y a une famille des turbines qui marchent comme l’hélice d’un bateau, à une échelle beaucoup plus petite. Les turbines commercialisées par Semtiveen sont un bon exemple.

La turbine dont je parle maintenant, en revanche, demande de brevet no. EP 3 214 303 A1, c’est du relativement petit. La surface opérationnelle dont elle a besoin est d’à peine 5 m² ; on peut la monter dans un rectangle de 2,24 mètres de côté. Le truc qui intrigue, au sujet de ces turbines éoliennes à l’axe vertical est qu’il est très difficile de déterminer à coup sur leur capacité énergétique. Vous pouvez trouver une bonne revue de littérature à ce sujet chez Bhutta et al.(2012[1]) et une description tout aussi intéressante d’une expérience empirique dans le tunnel aérodynamique chez Howell et al.(2010[2]) et moi, je vais faire de mon mieux pour vous expliquer les trucs de base.

Alors la base, elle est faite de la formule suivante : PW = ½ * C_p* p * A * v³. « PW » c’est la capacité énergétique en question (juste l’histoire de montrer la parenté avec l’anglais ‘power’), « v » c’est la vitesse du vent, « A » représente la superficie totale du rotor (hélice), « p » symbolise la densité de l’air (p = 1.225kg/m³), et enfin « C_p » est le coefficient de capacité, ou, si vous voulez, d’efficacité énergétique. Cette équation est par ailleurs un bon prétexte pour faire un peu prof, de ma part, et de montrer la distinction entre les facteurs exogènes et endogènes d’une technologie. Ici, les facteurs exogènes, c’est la vitesse du vent et la densité de l’air. Cette dernière est constante, donc en terme des forces externes on a « ½ * p * v³ = 0,6125* v³».

Dans ma belle ville de Krakow (Pologne) la vitesse du vent aujourd’hui est d’à peu près 20 km/h = 20 * 0,277777778 m/s = 5,55555556 m/set c’est une brise agréable. Élevée à la puissance trois et multipliée par 0,6125, cette brise donne une capacité exogène de 105,0240057 kW. Ça, c’est ce que la mère Nature nous donne. Ma petite turbine peut faire un usage plus ou moins efficace de ce don, suivant la surface totale Ade l’hélice et l’efficacité énergétique C_p. Cette dernière peut varier, selon Bhutta et al.(2012[3]) entre 59% et 72%, quoi que ça change énormément suivant la technologie exacte. Même des trucs bêtes, comme la rugosité du matériel dont est faite l’hélice, jouent un rôle différent suivant la vitesse du vent. D’autre part, vu la vague montante d’innovation dans le domaine (consultez Ça me démange, carrément) j’assume que ça progresse, ces derniers temps. Je vais être conservatif et prendre une efficacité moyenne entre 59% et 72%, soit C_p= 65,5%. Le prototype de cette turbine no. EP 3 214 303 A1offre une superficie active de l’hélice égale à A = 1,334 m²et ça me donne, de tout en tout, PW = 1,334 *65,5% * 105,0240057 = 91,76682549 kW.

Ça a l’air prometteur. Suivant les données sur la consommation d’énergie, moi, comme Polonais moyen statistique, j’ai besoin de 0,56 kW, en moyenne, à mon usage personnel, pour mener la vie que je mène. Si je ne me suis pas gouré dans les calculs, avec une brise agréable de 20 kilomètres – heure, ce machin génère une capacité suffisante pour plus de 180 Polonais moyens statistiques comme moi. Je vérifie la probabilité d’avoir une brise comme ça sur toute l’année et là, je vois le premier problème. La vitesse du vent à laquelle cette turbine commence à produire de l’énergie utile est de v = 1,9 m/set c’est la vitesse moyenne du vent à Krakow sur les 12 derniers mois. Les jours de vent au-delà de v = 1,9 m/sc’est surtout le printemps et l’été ou, en d’autres termes, ma turbine aurait une chance quelconque de produire de l’énergie durant à peu de choses près la moitié de l’année. Sur le mois dernier, la vitesse moyenne était de v = 2,36 m/s et ça donne PW = 1,334 *65,5% * 0,6125 * 2,36³= 7,034597146 kW, soit entre 13 et 14 Polonais statistiques moyens.

C’est moins optimiste mais plus réaliste, en même temps. Lorsque je traduis ces nombres en des faits de la vie quotidienne, j’ai la vision d’une petite communauté locale qui durant la saison venteuse de l’année peut satisfaire sa demande ménagère d’énergie avec un système des turbines éoliennes de taille tout aussi ménagère.

Ma ville, Krakow, ce n’est pas vraiment la capitale du vent. L’endroit est un réseau des vallées post-glaciales tortueuses, avec juste quelques plaines un peu plus spacieuses et l’ironie du sort veut que ces plaines soient placées surtout dans des endroits à risque élevé d’inondation. En revanche, toute la Pologne centrale et septentrionale, ça change énormément. La côte de la Baltique, par exemple, c’est une vitesse moyenne du vent égale à v = 12,9 m/set ça donne PW = 1,334 *65,5% * 0,6125 * 12,9³= 1148,873874 kW.Plus d’un mégawatt, suffisant pour plus de deux milles Polonais statistiques moyens. Eh ben, dites donc, placée au bon endroit, cette petite turbine éolienne est un vrai ouragan !

Bon, je crois que je la vois venir, cette absorption de technologie. Avec la vague montante d’innovation, cela veut dire une impulsion puissante de développement pour les régions les plus favorisées en termes de conditions naturelles. Les régions côtières et les grandes plaines sont naturellement favorisées en ce qui concerne l’éolien. La banalisation des technologies d’énergétique renouvelable peut provoquer un changement profond de la géographie d’habitat humain. Des endroits typiquement ruraux en Europe peuvent soudainement devenir attrayants pour créer des villes.

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[1]Muhammad Mahmood Aslam Bhutta, Nasir Hayat, Ahmed Uzair Farooq, Zain Ali, Sh. Rehan Jamil, Zahid Hussain (2012) Vertical axis wind turbine – A review of various configurations and design techniques, Renewable and Sustainable Energy Reviews 16 (2012) 1926–1939

[2]Howell, R., Qin, N., Edwards, J., Durrani, N. (2010) Wind tunnel and numerical study of a small vertical axis wind turbine, Renewable Energy, 35 (2), pp. 412- 422

[3]Muhammad Mahmood Aslam Bhutta, Nasir Hayat, Ahmed Uzair Farooq, Zain Ali, Sh. Rehan Jamil, Zahid Hussain (2012) Vertical axis wind turbine – A review of various configurations and design techniques, Renewable and Sustainable Energy Reviews 16 (2012) 1926–1939