NREL approfondit la recherche sur les aubes thermoplastiques pour les turbines marémotrices

Les chercheurs du National Renewable Energy Laboratory (NREL) ont commencé à tester des pales composites thermoplastiques, censées avoir le potentiel de révolutionner l’industrie de l’énergie marine, sur une turbine marémotrice à grande échelle.

Photo montrant le réseau de trois turbines de Verdant Power monté sur TriFrame (Avec l'aimable autorisation du DOE des États-Unis)
Le réseau de trois turbines de Verdant Power monté sur TriFrame (Avec l’aimable autorisation du DOE des États-Unis)

Les chercheurs du NREL explorent depuis plusieurs années l’utilisation de matériaux composites thermoplastiques pour les éoliennes, mais ils viennent tout juste de commencer à gratter la surface de la façon dont ces matériaux se comportent sous l’eau.

À savoir, en collaboration avec la société d’énergie marémotrice Verdant Power et avec le financement du département américain de l’Énergie, les chercheurs du NREL ont construit des aubes de turbine en utilisant des matériaux composites thermoplastiques et les testent maintenant sur l’une des turbines marémotrices de Verdant Power, actuellement déployées dans la ville de New York. Rivière de l’Est.

L’évaluation des charges et des performances des turbines sur le site du projet Roosevelt Island Tidal Energy (RITE) à New York a commencé en octobre 2020 avec l’installation du support TriFrame de Verdant Power, qui contient trois turbines marémotrices.

En raison des forts courants de marée qui changent de direction plusieurs fois par jour, l’East River est un endroit idéal pour tester et valider les performances des turbines d’énergie marine, selon NREL.

Les turbines TriFrame et à trois pales ont été conçues pour être modulaires et évolutives, permettant aux chercheurs d’étudier les turbines de 5 mètres de diamètre, puis de les adapter aux systèmes de turbines de classe 10 à 15 mètres plus rentables qui sont plus susceptibles à utiliser sur le terrain.

Au cours de leurs six premiers mois dans l’eau, les hydroliennes, qui avaient initialement des pales en époxy, ont généré près de 200 MWh d’énergie, établissant un record aux États-Unis pour la production d’énergie marine.

Après un déploiement de six mois, l’équipe de Verdant Power a effectué une opération de récupération et de remplacement (R&R) en mai 2021, remplaçant l’un des rotors à pales en époxy par un nouveau rotor fabriqué par NREL avec des pales thermoplastiques identiques à les lames époxy d’origine à l’exception de leur matière.

Photo montrant les turbines marémotrices de Verdan Power après une opération de R&R plus tôt en 2021 (Avec l'aimable autorisation du US DOE)
Les turbines marémotrices de Verdan Power après une opération de R&R plus tôt en 2021 (Avec l’aimable autorisation du DOE des États-Unis)

Avantages des matériaux thermoplastiques pour les applications d’énergie marine

Des recherches antérieures à l’échelle du laboratoire menées à l’Institut national français des sciences océaniques Ifremer ont démontré comment les matériaux thermoplastiques peuvent améliorer les performances en fatigue, réduire la probabilité de défaillances catastrophiques des pales et rendre les pales d’hydroliennes plus durables pour les applications d’énergie marine.

Le processus de fabrication est également plus rapide et plus économe en énergie, affirme NREL.

De plus, les thermoplastiques, qui représentent environ 75 % de la production mondiale de plastique, peuvent être recyclés car le matériau polymère plastique peut être remoulé à haute température et se resolidifie lors du refroidissement.

Pendant plusieurs mois avant le déploiement R&R, l’ingénieur de recherche NREL Robynne Murray et son équipe ont exploité les capacités de fabrication et de caractérisation des matériaux de l’installation de formation et de technologie de fabrication de composites (CoMET) de NREL.

Là, ils ont construit les pales de 2,5 mètres en utilisant une méthode d’infusion sous vide avec de la résine thermoplastique Elium. Ils ont ensuite travaillé pour confirmer que ces aubes avaient des performances structurelles similaires à celles des aubes traditionnelles en résine époxy avant le déploiement, validant structurellement les aubes de turbine marémotrice thermoplastiques à grande échelle qui produisent maintenant de l’énergie dans l’East River.

Une fois son essai terminé et les pales récupérées d’ici fin 2021, l’équipe mesurera la réponse structurelle des pales aux charges appliquées pour quantifier l’impact de l’eau de mer sur ces matériaux.

Murray mentionné: « Verdant Power a fourni à l’équipe NREL les détails de l’outillage et de la géométrie des pales afin que nous puissions produire des pales thermoplastiques identiques aux pales époxy qu’ils ont déjà fabriquées, ce qui nous permet de faire une comparaison côte à côte avec les matériaux traditionnels.

« Nous sommes vraiment intéressés par l’utilisation de ces matériaux thermoplastiques car ils pourraient potentiellement prolonger la durée de vie des pales et avoir des propriétés structurelles améliorées pour les applications marines ».

Photo montrant des chercheurs du NREL connectant une pale d'hydrolienne au système d'acquisition de données pour validation (Photo de Robynne Murray - NREL)
Les chercheurs du NREL connectent une pale d’hydrolienne au système d’acquisition de données pour validation (Photo de Robynne Murray – NREL)

Un système d’acquisition de données construit par NREL se trouve à l’intérieur du cône arrière de la turbine marémotrice nouvellement installée, permettant aux chercheurs de mesurer la déformation et la position angulaire des pales thermoplastiques en action dans l’East River.

Le processus de conception et de validation du système d’acquisition de données, qui comprenait l’immersion du système dans l’eau pendant plusieurs jours, répond à plusieurs exigences, notamment la capacité d’acquérir, de mesurer et de stocker en continu et de manière fiable toutes les données générées pendant toute la période de déploiement de la turbine – estimée à être jusqu’à 28 gigaoctets, selon NREL.

«Ce travail démontrera un matériau potentiellement révolutionnaire pour les applications marines à une échelle significative. Il produira également des données de contrainte et d’accélération pour les turbines à grande échelle que nous pourrons utiliser pour valider les outils de conception et réduire les risques de déploiements futurs, dans l’ensemble de l’industrie.

« La collaboration avec Verdant Power et la possibilité de rejoindre leur opération de R&R innovante ont été essentielles pour obtenir ces données qui profiteront à l’industrie de l’énergie marine pour les années à venir », Murray conclut.

Cet été, le Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) effectuera une étude des vitesses d’écoulement du TriFrame sur le site du projet RITE afin d’obtenir des données de débit pour les turbines marémotrices opérationnelles.

Les données seront utilisées pour valider les modèles de vitesse d’écoulement, qui seront publiquement accessibles à l’industrie de l’énergie marine, a ajouté le NREL.

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