Énergie
Éoliennes sans pales : l'avenir de l'énergie propre
Des chercheurs de l'Université de Glasgow explorent activement les moyens d'augmenter la puissance des éoliennes sans pales (ÉAP). Pour cela, ils proposent informations dérivées de simulations informatiques1 de ces turbines, en identifiant les conceptions les plus efficaces pour les futurs modèles.
Les chercheurs ont déclaré:
« Ces résultats pourraient aider le secteur des énergies renouvelables à faire passer les BWT, qui en sont encore à un stade précoce de recherche et développement, des expériences sur le terrain à petite échelle à des formes pratiques de production d'électricité pour les réseaux électriques nationaux. »
Les éoliennes sans pales constituent une forme émergente de production d'énergie éolienne, principalement étudiée par les chercheurs. Cependant, elles suscitent rapidement l'intérêt, et leur marché connaît une croissance tout aussi rapide.
En 2022, la taille du marché mondial des éoliennes sans pales était évaluée à environ 60.5 milliards de dollars et devrait dépasser 116 milliards de dollars d’ici 2030, en raison de la demande croissante d’énergie renouvelable à travers le monde.
Contrairement aux éoliennes classiques, les éoliennes sans pales (ÉAP) sont plus silencieuses et prennent moins de place. Elles s'adaptent également plus rapidement aux changements de direction du vent, ce qui les rend très utiles en milieu urbain avec des vents turbulents.
Un autre avantage majeur des éoliennes à pales est leur réduction de l'impact environnemental, notamment sur la faune sauvage. Pour les oiseaux, les éoliennes à pales augmentent le risque de collision, car la rotation rapide des pales peut sembler floue, voire invisible. Les éoliennes sans pales bougent beaucoup moins, ce qui permet aux animaux comme les oiseaux de les éviter plus facilement.
Le faible poids et le centre de gravité plus bas des turbines BWT réduisent quant à eux le besoin de fondations, simplifiant ainsi l'installation des turbines sans pales.
La conception plus simple de ces turbines nécessite également moins d’entretien que les turbines normales, ce qui augmente leur durée de vie utile.
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Que sont les éoliennes sans pales et comment fonctionnent-elles ?
Issue de ressources naturelles qui se reconstituent d’elles-mêmes, l’énergie renouvelable est essentielle à la transition vers des systèmes énergétiques moins gourmands en carbone et plus durables.
Les sources d'énergie renouvelables comprennent le vent, le soleil, la pluie, les vagues, les marées, l'énergie thermique et la biomasse. Ces ressources sont essentielles non seulement pour réduire notre dépendance aux combustibles fossiles, mais aussi pour atténuer le changement climatique.
Parmi les énergies renouvelables, l'énergie éolienne connaît une croissance rapide. En 2024, les énergies renouvelables et le nucléaire ont fourni ensemble près de 41 % de la production mondiale d'électricité. Parmi les énergies renouvelables, le solaire a représenté la plus grande part, suivi de l'éolien, dont la production a progressé jusqu'à atteindre XNUMX %. 8.1 % de l'électricité mondiale.
Selon l’Agence internationale de l’énergie (AIE), l’énergie solaire photovoltaïque et l’énergie éolienne devraient représenter 95 % de toutes les capacités renouvelables ajoutées d’ici 2030.
Pour exploiter l'énergie éolienne, on utilise généralement des éoliennes, qui convertissent l'énergie mécanique du vent en énergie électrique. Cependant, une autre façon d'exploiter l'énergie éolienne consiste à utiliser des systèmes de récupération d'énergie basés sur la vibration aéroélastique de structures flexibles.
Au cours des deux dernières décennies, la récupération d'énergie aéroélastique a connu un essor considérable, notamment en ce qui concerne les vibrations induites par vortex (VIV) des corps cylindriques. La technologie VIV a suscité un vif intérêt, donnant lieu à diverses modélisations numériques et recherches expérimentales.
Les vibrations induites par les tourbillons sont générées par la dispersion alternée de tourbillons de part et d'autre des corps escarpés. Cela entraîne des forces de portance et de traînée régulières, ainsi que d'importantes oscillations transversales dans les structures.
Lorsque la fréquence de décollement des tourbillons correspond à la fréquence naturelle de la structure, cela entraîne un mouvement instable et des oscillations de très grande amplitude. Ce phénomène est connu sous le nom de phénomène de verrouillage.
Un concept innovant pour exploiter l'énergie éolienne en tirant parti des oscillations de grande amplitude des structures en présence de VIV et de verrouillage est celui des éoliennes sans pales (BWT).
Une éolienne à pales se comporte comme un corps non profilé placé dans un écoulement fluide qui crée des tourbillons en détachant l'écoulement de sa surface. De ce fait, l'éolienne à pales présente un potentiel de production d'énergie considérable dans une plage de vitesses de vent spécifique. Ainsi, la conception d'éoliennes sans pales avec une amplitude d'oscillation plus forte peut simultanément accroître leur puissance et la plage de vitesses de vent opérationnelles.
Compte tenu du potentiel des BWT dans l’extraction d’énergie renouvelable, les efforts visant à exploiter la VIV pour la production d’électricité sont réalisés à de petites échelles de puissance, de 1 à 100 W.
Des études ont également été menées pour évaluer la relation entre la puissance de sortie des éoliennes sans pales et des variables de conception telles que la longueur du mât, le poids et la vitesse du vent. De plus, des recherches explorent la plage de vitesse du vent opérationnelle des éoliennes sans pales grâce à un système de réglage. Cependant, nous n'avons pas encore obtenu de précisions sur l'efficacité des éoliennes sans pales.
Le vent n’étant pas une ressource limitée, il est important de déterminer si une efficacité maximale se traduit par une production d’énergie éolienne maximale.
Cependant, on ignore encore si la puissance de sortie peut être améliorée pour une puissance éolienne constante. De plus, les modèles d'interaction fluide-structure des éoliennes sans pales sont rares, ce qui permettrait d'explorer facilement les paramètres de ces éoliennes et d'obtenir des réponses sur leur efficacité.
Ainsi, la dernière étude menée par des chercheurs de l’Université de Glasgow vise à accélérer les initiatives en cours visant à étendre les modèles BWT existants, qui sont actuellement à petite échelle, à des applications à plus grande échelle sur des sites offshore.
Cette recherche aborde les questions relatives à l'efficacité et à la puissance des éoliennes sans pales en développant un modèle numérique simple pour examiner le mécanisme physique des variations de pression induites par les éoliennes sans pales. Les chercheurs ont fourni un cadre analytique complet qui relève le défi crucial d'optimiser les éoliennes sans pales pour une extraction d'énergie maximale tout en préservant l'intégrité structurelle.
Les éoliennes sans pales peuvent-elles concurrencer les éoliennes traditionnelles ?
Les éoliennes conventionnelles à pales sont depuis longtemps un moyen répandu de convertir le vent en électricité. Ces turbines convertissent directement l'énergie cinétique du vent en mouvement de rotation des pales, qui alimentent ensuite un générateur pour produire de l'électricité.
Les éoliennes sans pales, ou BWT, fonctionnent selon un principe différent de celui des éoliennes à pales. Le principe de base est la VIV : au lieu de pales, ces éoliennes utilisent de hauts mâts cylindriques élancés qui vibrent ou oscillent au gré du vent.
Afin de construire des éoliennes sans pales (BWT) pour une efficacité maximale, l'équipe de chercheurs de l'Université de Glasgow a effectué des simulations de conceptions de BWT de l'ordre de milliers.
Cela leur a permis de trouver le point optimal pour maximiser la production d'énergie sans nuire à la résistance de la structure. Selon le Dr Wrik Mallik, de la James Watt School of Engineering :
Cette étude démontre pour la première fois que, contre toute attente, la structure la plus efficace pour extraire l'énergie n'est pas forcément celle qui produit la plus grande puissance. Nous avons plutôt identifié le point médian idéal entre les variables de conception pour maximiser la capacité des éoliennes à turbine à gaz à produire de l'énergie tout en préservant leur résistance structurelle.
Les résultats de l’étude donnent un aperçu de la manière dont les dimensions du mât, y compris la largeur et la hauteur, influencent non seulement la quantité d’énergie produite, mais également l’intégrité structurelle de ces turbines.
Cela a révélé un compromis qui n'était pas connu auparavant, à savoir que si l'augmentation du diamètre du mât améliore l'efficacité et l'extraction de puissance, une efficacité de pointe de 6 % et une puissance maximale de 600 watts sont obtenues grâce à des configurations géométriques distinctes.
Cependant, les configurations optimisées uniquement pour la puissance de sortie ont tendance à dépasser les limites de sécurité structurelle, tandis que celles qui maximisent l’efficacité fournissent une production d’énergie sous-optimale.
Ainsi, la conception idéale est un mât de 31.4 pouces ou 80 centimètres avec un diamètre de 25.4 pouces ou 65 centimètres, selon les résultats de l'étude. publié dans les énergies renouvelables.
Un tel équilibre optimal entre puissance et robustesse est capable de fournir en toute sécurité une puissance impressionnante de 460 watts, une performance meilleure que les prototypes réels actuels qui plafonnent à environ 100 watts.
« À l’avenir, les éoliennes à turbine éolienne pourraient jouer un rôle précieux dans la production d’énergie éolienne en milieu urbain, où les éoliennes conventionnelles sont moins utiles. »
– Dr Malik
Les résultats de l'étude peuvent jouer un rôle important pour garantir la sécurité des structures face à des vents de 20 à 70 km/h. Selon les chercheurs, leur méthodologie pourrait permettre la mise à l'échelle d'éoliennes sans pales capables de produire 1,000 1 watts (XNUMX kilowatt) ou plus.
Avec cette recherche, l’idée est d’encourager l’industrie à développer de nouveaux prototypes d’éoliennes sans pales (BWT) en démontrant clairement la conception la plus efficace pour les BWT.
« Éliminer une partie des incertitudes liées au perfectionnement des prototypes pourrait aider les BWT à devenir un élément plus utile de la boîte à outils mondiale pour atteindre le zéro émission nette grâce aux énergies renouvelables. »
– Professeur Sondipon Adhikari, École d'ingénierie James Watt
Selon Adhikari, les ingénieurs prévoient de continuer à affiner leur compréhension de la conception BWT et de la manière dont ils peuvent faire évoluer la technologie pour fournir de l'énergie à une large gamme d'applications.
Ils sont également « désireux » d'explorer des matériaux spécialement conçus, appelés métamatériaux, qui sont finement réglés pour leur conférer des propriétés que l'on ne trouve pas dans la nature, en ce qui concerne la façon dont ils peuvent « renforcer l'efficacité des BWT dans les années à venir ».
Nouveaux modèles et matériaux pour les BWT de nouvelle génération
En autre étude2, celle-ci menée par des chercheurs de l'Université d'Alexandrie plus tôt cette année, deux nouveaux mécanismes ont été introduits pour concevoir des BWT afin de répondre aux limitations opérationnelles des éoliennes sans pales, qui sont créées par le phénomène de verrouillage, les limitant à une petite plage proche de la fréquence naturelle structurelle.
Les mécanismes introduits étaient le mécanisme de masse de réglage et le mécanisme de réglage élastique, permettant un fonctionnement sur une large plage de vitesse du vent de 2 à 10 m/s.
Les résultats de l'étude révèlent également que l'utilisation de la masse équivalente de l'unité de mât et du moment d'inertie de masse polaire à l'extrémité libre de la poutre en porte-à-faux est importante pour concevoir l'éolienne et garantir qu'elle répond aux conditions de verrouillage.
L'objectif de l'étude est de maintenir les performances idéales en contrôlant la fréquence naturelle de la turbine grâce à la mise en œuvre des mécanismes.
Un modèle mathématique a également été élaboré pour ajuster la fréquence naturelle afin qu'elle corresponde à la fréquence de délestage à la vitesse du vent spécifiée. La validation du modèle a démontré une grande précision.
Le premier mécanisme permet d'augmenter le rendement mécanique de 99.2 % à 7 m/s, mais pour obtenir des valeurs de module de flexion ou de flexion plus élevées, le second mécanisme doit être intégré afin de réduire la taille globale de la turbine. Cette approche unifiée améliore le rendement de 55.7 %.
Outre les mécanismes de réglage, le choix de matériaux adaptés aux composants flexibles de la turbine est essentiel, selon l'étude, afin de garantir une résistance et des performances adéquates, car ces matériaux influencent la rigidité globale de la structure. Ainsi, l'influence sur la fréquence naturelle de la structure affecte à son tour les performances de la turbine.
L’étude a révélé que les fibres de carbone et de verre étaient les meilleurs matériaux pour fabriquer les principaux composants des BWT.
Les propriétés mécaniques des matériaux composites, a également noté l'étude, peuvent être contrôlées en modifiant leurs paramètres de fabrication, tels que le nombre de couches et leur orientation, ce qui permet de personnaliser la résistance, la rigidité et d'autres caractéristiques pour répondre aux exigences spécifiques de différentes applications.
Bien qu’elle soit encore à ses débuts et limitée aux contextes expérimentaux et de laboratoire, la technologie a également commencé à montrer des signes d’application dans le monde réel.
À la fin de l'année dernière, le groupe BMW a commencé les essais de l'éolienne sans pales. Le constructeur automobile allemand a installé l'éolienne sans pales d'Aeromine Technologies dans son usine MINI d'Oxford.
Cette usine servira de site de test pour la technologie, impliquant l'évaluation du potentiel de l'unité dans l'amélioration de l'efficacité énergétique sur les sites de l'entreprise à travers le monde et dans les complexes commerciaux au Royaume-Uni.
L'éolienne d'Aeromine est installée en bordure d'un bâtiment, orientée face au vent. Ses pales verticales, semblables à des ailes, créent un effet de vide en extrayant l'air derrière une hélice interne pour produire une électricité propre et verte.
Notre technologie éolienne « immobile » est conçue pour fonctionner en parfaite harmonie avec les systèmes solaires, maximisant ainsi la production d'énergie renouvelable des toits tout en contribuant à résoudre des problèmes tels que le bruit, les vibrations et l'impact sur la faune. Nous sommes impatients de voir comment cette première installation pourra déboucher sur des applications plus larges dans les installations mondiales de BMW.
– Claus Lønborg, directeur général d'Aeromine Technologies.
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Investir dans l'énergie éolienne
Dans le secteur de l’énergie éolienne, General Electric (GE ) est l'un des plus grands fabricants d'éoliennes grâce à sa filiale GE Vernova (GEV ), une entreprise énergétique mondiale qui conçoit, fabrique et fournit des technologies pour créer un système électrique durable. Ses secteurs d'activité comprennent l'énergie, avec une concentration sur l'hydroélectricité, le gaz, la vapeur et le nucléaire ; l'éolien, avec des éoliennes et des pales terrestres et offshore ; et l'électrification, couvrant la conversion d'énergie, les solutions de réseau, le solaire et le stockage.
L'entreprise dispose d'environ 120 gigawatts (GW) d'énergie installés sur son parc de 57,000 4 éoliennes qui fonctionnent plus de XNUMX milliards d'heures dans le monde.
GE Vernova (GEV )
Avec une capitalisation boursière de 132.9 milliards de dollars, l'action GEV se négocie actuellement à 486 dollars, en hausse de plus de 48 % depuis le début de l'année. Son BPA (sur 6.94 mois) s'élève à 70.18 et son PER (sur 0.21 mois) à XNUMX, tandis que son rendement en dividendes est de XNUMX %.
En avril, l'entreprise a publié ses résultats financiers du premier trimestre 2025, qui ont révélé un chiffre d'affaires de 8 milliards de dollars, un bénéfice net de 0.3 milliard de dollars et une trésorerie d'exploitation de 1.2 milliard de dollars. GE Vernova a également annoncé une hausse de 8 % de ses commandes, qui ont atteint 10.2 milliards de dollars.
Le solde de trésorerie à la fin du trimestre s'élevait à 8.1 milliards de dollars. Parallèlement, 1.3 milliard de dollars ont été restitués aux actionnaires.
(GEV )
« Nous avons enregistré de solides résultats au premier trimestre et nos activités ont continué de bien performer. Nous avons accru notre carnet de commandes d'équipements et de services, considérablement amélioré nos marges dans chaque segment et restituons un volume important de capital à nos actionnaires. Je suis enthousiaste quant à l'avenir, car nous ne sommes qu'au début du supercycle d'investissement dans l'électricité. »
– Le PDG Scott Strazik
L'activité éolienne de GE Vernova a toutefois affiché une performance mitigée, car elle est confrontée à des défis dans l'éolien offshore tandis que l'activité éolienne terrestre enregistre une croissance.
En conséquence, les livraisons terrestres ont augmenté, soutenues par une amélioration des prix, tandis que les activités offshore ont connu une contraction. Cependant, si le segment éolien est resté déficitaire, il montre des signes d'amélioration.
Les commandes de GE Vernova dans le secteur éolien se sont élevées à 0.6 milliard de dollars, pour un chiffre d'affaires de 1.8 milliard de dollars. L'entreprise a également investi plus de 100 millions de dollars au cours de la période pour améliorer les performances de son parc.
Le mois dernier, GE Vernova a annoncé qu'elle exploitait désormais la puissance de la robotique et de l'IA pour inspecter la qualité de chaque pale fabriquée, ainsi que celle des matières premières avant la modélisation et l'assemblage. À long terme, ce contrôle qualité basé sur l'IA devrait améliorer la durée de vie des composants critiques et, par conséquent, la longévité des turbines.
Actualités et développements récents concernant l'action GE Vernova (GEV)
Réflexions finales : les éoliennes sans pales sont-elles l’avenir ?
Les éoliennes conventionnelles sont essentielles pour la capture efficace de l’énergie éolienne, mais elles présentent de sérieux inconvénients inhérents, tels que des coûts initiaux élevés, une pollution sonore, un entretien régulier, des impacts visuels et environnementaux, des limitations de construction dans les zones urbaines et un fonctionnement efficace uniquement à des vitesses de vent élevées.
Tous ces facteurs ont favorisé le développement de technologies alternatives, les éoliennes sans pales (BWT) représentant un nouveau chapitre émergent et passionnant dans la technologie des énergies renouvelables.
Dans les éoliennes à turbine à vent, le mouvement du vent génère des tourbillons, faisant osciller toute la structure. Lorsque ce mouvement de balancement correspond à la fréquence vibratoire naturelle de la structure, il s'amplifie considérablement. Ce mouvement, ou vibration, accru est ensuite converti en électricité. Bien que puissante, cette technologie n'en est qu'à ses débuts.
Grâce aux chercheurs qui optimisent les conceptions capables d’atteindre des rendements plus élevés et une plus grande intégrité structurelle, les BWT peuvent enfin devenir des ajouts précieux aux portefeuilles énergétiques.
Alors que la demande en énergie propre continue d’augmenter et que les recherches en cours contribuent à transformer l’innovation en solutions commercialement viables, nous serons en mesure d’accélérer notre parcours vers un avenir à zéro émission nette.
Cliquez ici pour obtenir une liste des principales actions du secteur de l’énergie éolienne.
Études référencées :
1. Breen, J. ; Mallik, W. ; Adhikari, S. Analyse des performances et optimisation géométrique des éoliennes sans pales à l'aide d'un modèle d'oscillateur de sillage. Renew. Energy 2025, 215, 123549. https://doi.org/10.1016/j.renene.2025.123549
2. Mohamed, Z. ; Soliman, M. ; Feteha, M. ; et al. Une nouvelle approche de conception optimale pour les éoliennes sans pales prenant en compte les propriétés mécaniques des matériaux composites utilisés. Sci. Rep. 2025, 15, 1355. https://doi.org/10.1038/s41598-024-82385-9
