Alors que des pays comme les États-Unis annoncent des politiques et des objectifs axés sur l'augmentation de la capacité d'énergie renouvelable, il existe des opportunités pour des technologies d'énergie renouvelable nouvelles et améliorées. Xenecore, une société basée à New York qui développe des pales d'éoliennes plus efficaces avec des capacités de capture d'énergie plus élevées, utilise son expertise dans les pièces composites pour concevoir et développer des pales éoliennes en forme d'éventail basées sur la résistance.
Xenecore a été fondée en 2010 par Jerry Choe, PDG et fondateur de la société, grâce à l'utilisation de la technologie des matériaux dans les applications d'articles de sport pour développer des raquettes de tennis en composite de fibre de carbone, et a déposé un certain nombre de brevets. Afin d'obtenir une raquette de tennis en fibre de carbone avec des performances et une puissance élevées tout en frappant la balle, et de minimiser l'impact de la raquette sur le bras, après une période de développement de 18- mois, lui et son équipe ont développé un matériau et process solution, qui est désormais commercialisée sous le nom commercial Xenecore, un produit de microsphères thermoplastiques qui peut être utilisé comme noyau structurel pour les pièces composites.
Suite à ces premiers succès, la société a investi massivement dans l'optimisation de la technologie des microsphères thermoplastiques et a obtenu plus de 250 brevets dans le monde. La société a découvert que l'utilisation des produits Xenecore pouvait s'étendre au-delà des raquettes de tennis à de nouvelles opportunités pour d'autres applications, telles que les pales de drones et, plus récemment, les pales d'éoliennes à résistance.
Il y a environ deux ans, Choe et l'équipe de Xenecore ont commencé à étudier comment la technologie de procédé et les produits de l'entreprise pourraient être utilisés pour développer des pales d'éoliennes. Aujourd'hui, la plupart des éoliennes ont des pales minces en forme d'avion qui génèrent de l'électricité principalement à partir de la portance. Lorsque le vent passe à travers les pales, la pression inférieure formée sur un côté des pales tire sur les pales perpendiculairement à la direction du vent, les faisant tourner les rotors, transférant de l'énergie à la turbine pour générer de l'électricité.
Ces pales sont généralement constituées d'une peau en fibre de verre et, dans les pales plus longues, sont soutenues par un capuchon SPAR d'aile en composite de fibre de carbone. Les pales de vent sont généralement placées dans un moule ouvert, injectées sous vide, puis assemblées à l'aide d'une bande de cisaillement, d'un noyau en mousse et d'un adhésif.
Les premiers moulins à vent, cependant, avaient un aspect très différent, avec des pales en bois larges, plates et en forme d'éventail qui produisaient de l'électricité par résistance, le vent étant directement utilisé pour pousser les pales dans la direction du vent. Lorsque les éoliennes ont été inventées pour la première fois, tout le monde utilisait la traînée car elle captait plus de vent. Mais ces premières pales posaient problème en raison des matériaux utilisés, car les premiers moulins à vent étaient construits avec des matériaux mous et moins durables comme le tissu.
En 1919, le physicien allemand Albert Bates a publié sa désormais célèbre loi de Bates sur la capture du vent et la conception des pales. Selon cette loi, la pale ne peut capter qu'un maximum de 59% de l'énergie éolienne en utilisant la portance. Cette théorie a influencé la forme des ailes d'avion et des pales d'éoliennes pour maximiser la portance et minimiser la traînée, en utilisant des conceptions minces et incurvées qui sont encore populaires aujourd'hui.
Selon Choe, le taux de capture d'énergie de 59 % est un maximum théorique car les éoliennes réelles capturent l'énergie beaucoup moins efficacement, mais ce n'est pas le maximum pour les matériaux d'aujourd'hui. Parce que les composites de fibre de verre et de fibre de carbone utilisés aujourd'hui sont plus solides et plus légers, ils fonctionnent bien mieux que les matériaux métalliques utilisés pour fabriquer les pales et les ailes à l'époque de Bates. Par conséquent, étant donné que les propriétés des matériaux existants ont été optimisées, la meilleure conception peut maintenant être inefficace et ne plus répondre aux exigences.
Il convient de noter qu'il existe un certain nombre de conceptions de pales éoliennes basées sur la résistance qui sont utilisées depuis longtemps, comme l'éolienne verticale de type Savonius, qui comporte deux pales en forme de coupe qui tournent autour d'une turbine centrale. Ces turbines sont généralement beaucoup moins efficaces que les turbines à portance car, dans une configuration verticale, les deux pales bloquent en fait une partie du vent que l'autre moitié de la pale peut capter. Cependant, leur conception simple et leur capacité à capter l'énergie dans les zones à faible vent les rendent populaires pour les éoliennes dans les environnements domestiques ou commerciaux.
Choe et son équipe ont entrepris de développer une nouvelle éolienne horizontale qui maximise la traînée et, surtout, utilise des matériaux composites avancés.
L'un des premiers défis auxquels l'équipe Xenecore a été confrontée était que, depuis que les turbines à portance sont devenues la norme, le logiciel de simulation actuel n'est utilisé que pour analyser les performances des turbines à portance. Choe et son équipe ont essayé un certain nombre d'outils analytiques et ont finalement utilisé le logiciel de dynamique des fluides computationnelle Ansys Fluent pour modéliser le comportement du vent sur la pale.
À l'aide de ces modèles, l'objectif est de développer une pale capable de capturer une traînée maximale, de générer de l'électricité à l'intérieur de la turbine et, en même temps, de résister à des charges de vent élevées avec le moins de poids possible. L'équipe Xenecore a d'abord essayé de fabriquer une lame composite en fibre de carbone solide, mais la résistance n'était pas bonne, même les plaques en fibre de carbone solide peuvent se briser sous des vents violents.
Enfin, Xenecore a conçu une seule pale en forme d'éventail, appelée Fanturbine, constituée d'une peau supérieure et inférieure recouverte de microsphères thermoplastiques Xenecore. Ces peaux sont renforcées par des nervures appelées poutres en I. La conception est bionique car les côtes se déploient à partir d'un point central, un peu comme les feuilles d'une feuille de palmier.
Les pales sont fabriquées selon un processus de moulage par compression en une étape utilisant de la fibre de carbone à module élevé et des résines époxy pour maximiser la résistance et la stabilité, et pour résister aux fortes charges de vent avec le poids le plus léger possible. La conception en monomère monobloc est également conçue pour maximiser la stabilité et prolonger théoriquement la durée de vie de la lame, car il n'y a pas de joints ou d'adhésifs qui peuvent endommager ou fatiguer avec le temps. Actuellement, la première version de ces pales est relativement petite, mesurant 3 pieds sur 3, dans le but de passer à une taille plus grande pour concurrencer les pales éoliennes conventionnelles.
Pour produire chaque lame, le tissu en fibre de carbone coupé est placé dans un moule supérieur et inférieur en aluminium, et plusieurs couches de papier film Xenecore sont placées sur chaque peau. Le moule se ferme et, sous haute température et pression, les microsphères se dilatent en une mousse structurelle légère qui se lie au cortex. Le processus produit une seule pièce unique, sans soudure, sans liant et à mouvement libre de la poutre en I.
La conception de la turbine de Xenecore consiste en quatre pales de ventilateur sur chaque turbine, couvrant environ 80 % de la surface disponible. Le vent pousse les pales et fait tourner les rotors, ce qui crée de l'énergie dans la turbine. Selon un livre blanc de 2021 du regretté Dr Paulo Abdala, professeur d'aviation à l'Université de Brasilia, la quantité d'électricité produite dépend largement de la vitesse du vent. La robustesse des pales plates en forme d'éventail aide à créer de fortes différences de pression sur les côtés des pales, ce qui augmente la vitesse du vent et la production d'énergie.
Selon les simulations de Xenecore, dans des conditions idéales, le ventilateur pourrait théoriquement atteindre un maximum de 98 % de capture d'énergie éolienne. De plus, la pale est conçue pour résister aux vents de force ouragan et, lors de simulations, elle s'est avérée capable de résister à des vents allant jusqu'à 376 miles par heure, bien au-dessus de la vitesse maximale d'un ouragan. Selon Choe, ces pales peuvent fonctionner sur des turbines existantes sans modifier l'infrastructure existante.
En 2022, Xenecore a commencé la production de petites turbines de 5 kW avec des pales de 3 x 3 pieds et les a vendues à des distributeurs en Amérique du Sud et en ligne dans le monde entier. Ces petits systèmes sont conçus pour remplacer des panneaux solaires de puissance similaire utilisés dans les maisons et les entreprises, fournissant la même quantité d'énergie, mais ils fonctionnent bien mieux et coûtent trois fois moins cher à faire fonctionner, a expliqué Choe.
Les pales ont été testées pour produire sept fois plus de puissance que les éoliennes conventionnelles de taille similaire. Le plus grand système que Xenecore a testé est une turbine de 100-kilowatt avec des pales de 11 pieds de large. Il a une version de niveau mégawatt en préparation.
Choe a déclaré qu'il y avait beaucoup d'intérêt pour les pales Fanturbine plus grandes dans un avenir proche, notant que la technologie a le potentiel de moderniser la turbine Haliade X de GE français, actuellement la plus grande, ce qui pourrait augmenter sa capacité 100- fois, passant de 14 mégawatts à 1,4 gigawatts.
Actuellement, la société recherche des investisseurs et des partenaires pour aider à faire passer la technologie à l'étape suivante. Pour prouver la technologie, la prochaine étape de Xenecore est de construire et d'installer une turbine de 1 MW sur une tour d'éolienne désaffectée.
