L' orange givrée, facile et léger
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Une étude sur le terrain montre que le givrage peut coûter aux éoliennes jusqu'à 80 % de leur production d'énergie
Cette photo prise par un drone lors d'une étude de terrain sur le givrage des éoliennes montre comment la glace s'est accumulée à l'extrémité d'une pale de turbine pendant une tempête hivernale. Crédit : Hui Hu/Iowa State University Image Source: TechXplore.com
Les pales d'éoliennes qui tournent dans des conditions froides et humides peuvent accumuler de la glace de près d'un mètre d'épaisseur à l'extrémité de leurs pales. Cela perturbe l'aérodynamisme des pales. Cela perturbe l'équilibre de l'ensemble de la turbine. Et cela peut perturber la production d'énergie jusqu'à 80 %, selon une étude de terrain récemment publiée et dirigée par Hui Hu, professeur d'ingénierie aérospatiale Martin C. Jischke de l'université d'État de l'Iowa et directeur du laboratoire de physique du givrage des aéronefs et de technologie anti-givrage de l'université.
M. Hu étudie le givrage des pales de turbines en laboratoire depuis une dizaine d'années, notamment en réalisant des expériences dans le tunnel de recherche sur le givrage de l' Iowa State University (ISU). Une grande partie de ces travaux a été financée par des subventions de l'Iowa Energy Center et de la National Science Foundation.
"Sauf, que nous nous demandons toujours si ce que nous faisons en laboratoire représente ce qui se passe sur le terrain", a déclaré Hu. "Que se passe-t-il sur la surface des pales des grandes éoliennes à usage collectif ?"
Un début de réponse que nous étions dans le vrai nous est parvenu récemment du Texas. L'énergie éolienne et d'autres sources d'énergie ont gelé et sont tombées en panne pendant la tempête hivernale du mois dernier.
À la recherche d'un site de terrain
Hu voulait quantifier ce qui se passe dans les parcs éoliens en hiver et a donc commencé, il y a plusieurs années, à organiser une étude sur le terrain. Mais cela s'est avéré plus compliqué qu'il ne le pensait. Même en Iowa, où quelque 5 100 éoliennes produisent plus de 40 % de l'électricité de l'État, selon l'Association américaine d'information sur l'énergie, il n'a pas eu accès aux turbines. Les compagnies d'énergie ne veulent généralement pas que les données sur les performances de leurs machines soient rendues publiques.
M. Hu, qui avait établi des liens avec des chercheurs de l'école d'énergie renouvelable de l'Université d'électricité de la Chine du Nord, à Beijing, dans le cadre d'un programme d'expériences de recherche internationales pour les étudiants financé par la National Science Foundation, a donc demandé si les
parcs éoliens chinois étaient prêts à coopérer.
Les opérateurs d'un parc éolien de 34 turbines et de 50 mégawatts situé au sommet d'une montagne dans l'est de la Chine ont accepté une étude sur le terrain en janvier 2019. Hu a déclaré que la plupart des turbines génèrent 1,5 mégawatt d'électricité et sont très similaires aux turbines à l'échelle des services publics qui fonctionnent aux États-Unis.
Comme le parc éolien étudié par les chercheurs n'est pas loin de la mer de Chine orientale, Hu a déclaré que les éoliennes qui s'y trouvent sont confrontées à des conditions de givrage qui ressemblent davantage à celles du Texas qu'à celles de l'Iowa. Les parcs éoliens de l'Iowa sont exposés à des conditions hivernales plus froides et plus sèches ; lorsque le froid hivernal descend au Texas, les parcs éoliens y sont exposés à plus d'humidité en raison de la proximité du Golfe du Mexique.
Des chercheurs sont allés sur le terrain pour étudier le givrage de ce parc éolien situé au sommet d'une crête, dans l'est de la Chine. Crédit :
Mesurer la glace
Dans le cadre de leurs travaux, les chercheurs ont utilisé des drones pour prendre des photos de pales de turbine de 50 mètres de long après une exposition à des conditions hivernales glaciales pouvant durer jusqu'à 30 heures, notamment de la pluie verglaçante, de la bruine verglaçante, de la neige humide et du brouillard givrant.
Les photos ont permis de mesurer et d'analyser en détail comment et où la glace s'accumule sur les pales de la turbine. Hu a déclaré que les photos ont également permis aux chercheurs de comparer le givrage naturel au givrage en laboratoire et ont largement validé leurs résultats expérimentaux, leurs théories et leurs prédictions.
Les photos ont montré que "si la glace s'est accumulée sur toute la portée des pales, on a constaté que la glace s'est davantage accumulée sur les pales extérieures, l'épaisseur de la glace atteignant jusqu'à 0,3 mètre (près d'un pied) près de l'extrémité des pales", ont écrit les chercheurs dans un article récemment publié en ligne par la revue Renewable Energy. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0960148120319406
Les chercheurs ont utilisé les systèmes intégrés de contrôle et d'acquisition de données des turbines pour comparer l'état de fonctionnement et la production d'énergie avec de la glace sur les pales à des conditions plus typiques, sans glace.
"Cela nous permet de savoir ce qui est important, quel est l'effet sur la production d'énergie", a déclaré
M. Hu.
Ils ont constaté que le givrage avait un effet important :
"Malgré le vent fort, on a constaté que les éoliennes givrées tournaient beaucoup plus lentement et s'arrêtaient même fréquemment pendant l'épisode de givrage, la perte de puissance induite par le givrage pouvant atteindre 80 %", écrivent les chercheurs.
Cela signifie que Hu va continuer à travailler sur un autre domaine de recherche sur les éoliennes : trouver des moyens efficaces de dégivrer les pales pour qu'elles continuent à tourner et à produire de l'électricité tout au long de l'hiver.
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