L’énergie éolienne monte en flèche aux États-Unis ; la capacité d’énergie renouvelable de la nation a plus que triplé au cours des neuf dernières années, et les énergies éolienne et solaire en sont largement responsables. Aujourd’hui, les entreprises veulent exploiter encore plus d’énergie éolienne, à un prix plus avantageux, et l’une des meilleures façons de réduire les coûts est de construire de plus grandes turbines. C’est pourquoi une alliance de six institutions, dirigée par des chercheurs de l’université de Virginie, est en train de concevoir la plus grande éolienne du monde, d’une hauteur de 500 mètres, soit près d’un tiers de mile de haut, et environ 57 mètres de plus que l’Empire State Building.
Les turbines sont déjà sensiblement plus grandes qu’il y a 15 ou 20 ans. La taille varie, mais les tours des parcs éoliens typiques d’aujourd’hui font environ 70 mètres de haut, avec des pales d’environ 50 mètres de long. Leur puissance dépend de leur taille et de leur hauteur, mais elle se situe généralement entre un et cinq mégawatts – dans le haut de l’échelle, cela suffit à alimenter environ 1 100 foyers. « Il y a une motivation pour aller vers des éoliennes plus grandes, et la raison est essentiellement économique », explique John Hall, professeur adjoint d’ingénierie mécanique et aérospatiale à l’université de Buffalo, S.U.N.Y. L’une des raisons pour lesquelles les éoliennes géantes sont plus rentables est que le vent souffle plus fort et plus régulièrement à haute altitude. Ainsi, « vous capturez plus d’énergie » avec une structure plus haute, explique Eric Loth, chef du projet de turbine massive, qui est financé par l’Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E) du ministère américain de l’énergie.
Une autre raison pour laquelle les experts du vent disent que plus c’est grand, mieux c’est : les pales de turbine plus longues capturent également le vent plus efficacement, et les tours plus hautes permettent des pales plus longues. La puissance d’une éolienne est directement liée à sa « surface balayée » – la surface circulaire couverte par la rotation des pales – explique Christopher Niezrecki, professeur d’ingénierie mécanique et directeur du Centre pour l’énergie éolienne de l’université du Massachusetts Lowell. Et cette relation n’est pas linéaire : si la longueur des pales double, un système peut produire quatre fois plus d’énergie, explique M. Niezrecki. Il note que les turbines plus grandes ont également une vitesse de « coupure » plus faible, la vitesse du vent à laquelle elles peuvent commencer à produire de l’énergie.
L’équipe de Loth veut concevoir un système de 50 mégawatts avec des pales de 200 mètres de long, bien plus grandes que les éoliennes actuelles. Si les chercheurs réussissent, ils estiment que la turbine serait 10 fois plus puissante que les équipements existants. Mais les scientifiques n’ont pas l’intention de se contenter de surdimensionner les modèles conventionnels ; ils modifient fondamentalement la structure de l’éolienne. La machine ultralarge aura deux pales au lieu des trois habituelles, ce qui réduira le poids de la structure et les coûts. Loth dit que la réduction du nombre de pales rendrait ordinairement une turbine moins efficace, mais son équipe utilise une conception aérodynamique avancée qui, selon lui, compense largement ces pertes.
L’équipe envisage également que ces structures gigantesques se dressent à au moins 80 kilomètres au large, là où les vents ont tendance à être plus forts et où les personnes à terre ne peuvent pas les voir ou les entendre, selon Loth. Mais de puissantes tempêtes frappent de tels endroits, par exemple sur la côte est des États-Unis, dans l’océan Atlantique, et l’équipe de Loth a donc été confrontée au dilemme de créer quelque chose de massif qui soit également relativement léger et résiste aux ouragans. Pour résoudre ce problème, les chercheurs se sont tournés vers l’une des solutions de conception propres à la nature : les palmiers. « Les palmiers sont très grands mais très légers structurellement, et si le vent souffle fort, le tronc peut se plier », explique Loth. « Nous essayons d’utiliser le même concept – concevoir nos éoliennes pour qu’elles aient une certaine flexibilité, qu’elles se courbent et s’adaptent au flux. »
Dans la conception de l’équipe, les deux pales sont situées sous le vent de la tour de l’éolienne, plutôt qu’au vent comme sur les éoliennes traditionnelles. Les pales changent également de forme en fonction de la direction du vent, comme un palmier. « Lorsque les pales se recourbent dans le sens du vent, il n’est pas nécessaire de les construire aussi lourdes ou solides, ce qui permet d’utiliser moins de matériaux », explique M. Loth. Cette conception réduit également le risque que des vents violents fassent plier une pale en rotation vers sa tour, ce qui pourrait faire tomber toute la structure. « Les pales s’adaptent aux vitesses élevées et commencent à se replier, ce qui réduit les forces dynamiques qui s’exercent sur elles », explique M. Loth. « Nous aimerions que nos turbines soient capables de supporter des vents supérieurs à 253 kilomètres-heure » en conditions de non-fonctionnement. Au-delà d’une vitesse de vent de 80 à 95 kilomètres par heure, le système s’arrêterait et les pales se courberaient pour s’éloigner du vent, afin de pouvoir résister à de violentes rafales, ajoute Loth.
La turbine de 500 mètres doit encore relever des défis – il y a de bonnes raisons pour lesquelles personne n’en a encore construit une proche de cette taille : « Comment fabriquez-vous des pales de 200 mètres ? Comment les assembler ? Comment ériger une tour aussi haute ? Les grues ne peuvent pas aller plus haut. Et avec l’éolien offshore, il y a des complications supplémentaires », explique M. Niezrecki. La conception de l’équipe comprend une pale segmentée qui pourrait être assemblée à partir de pièces sur place, mais M. Niezrecki note que l’industrie éolienne n’a pas encore trouvé comment segmenter les pales. « Il y a beaucoup de questions de recherche à résoudre », dit-il. « C’est certainement un risque élevé, mais il y a aussi un potentiel de récompense élevé. Je ne pense pas que ces problèmes soient insurmontables. » Hall se demande également si une turbine aussi massive est la taille optimale. « Nous sommes en train de nous rendre compte que plus c’est gros, mieux c’est. La question est de savoir jusqu’à quel point. Nous devons trouver le point idéal », dit-il. « Nous allons beaucoup apprendre de ce projet. »
Loth et son équipe n’ont pas encore testé de prototype ; ils sont en train de concevoir la structure et le système de contrôle de la turbine, et cet été, ils construisent un modèle beaucoup plus petit que la vraie chose – environ deux mètres de diamètre. L’été prochain, ils prévoient de construire une version plus grande avec deux pales de 20 mètres de long, qui produira moins d’un mégawatt de puissance et sera testée dans le Colorado. Loth lui-même n’est pas sûr à 100 % que la turbine mammouth de son équipe deviendra une réalité, mais il est certain que cela vaut la peine d’essayer. « Il s’agit d’un concept très nouveau, et il n’y a aucune garantie qu’il fonctionne », explique-t-il. « Mais si c’est le cas, cela révolutionnera l’énergie éolienne en mer. »