Éolienne aéroportée

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Schéma d'éolienne aéroportée aérostatique utilisant aussi l'effet Magnus comme moyen de portance, projet de Magenn Power[1]

Une éolienne aéroportée ou en vol est un système de production d'énergie éolienne maintenue en l'air (sans mât). Il peut s'agir d'une turbine aéroportée, ou d'un système de type cerf-volant, voile ou drone, qui oscille dans le vent et transmet un mouvement au sol (ou en mer) via un câble, ce mouvement étant alors converti en électricité. L'idée en remonte au moins à 1833. Il vise à exploiter des vents d'altitude, plus forts et réguliers, permettant un meilleur facteur de charge et peut-être une électricité moins chère. Selon l'agence internationale pour les énergies renouvelables (Irena) ce type d'éolien sera commercialisé après 2025 et pourrait ensuite avoir un impact majeur sur le marché éolien[2].

Quelques dates[modifier | modifier le code]

  • 1833 L'exploitation de l'énergie éolienne à haute altitude a été imaginée par John Adolphus Etzler[3].
  • 1977 Douglas Selsam conçoit un train circulaire de cerfs-volants[4] actionnant un générateur installé au niveau du sol.
  • 1980 Le mathématicien Miles L.Loyd publie Crosswind Kite Power[5], document de base d'analyse de la puissance générée par un cerf-volant évoluant rapidement en figures permettant d'accroître la surface balayée et la vitesse du vent apparent. Par la suite l'optimisation des cerfs-volants rigides ou souples accomplissant des figures circulaires ou en huit sera un axe central de recherche comprenant également l'étude des dispositifs et logiciels en vue de l'automatisation du vol puis du décollage et de l'atterrissage.
  • 1997 L'astronaute néerlandais Wubbo Ockels développe un projet analogue à celui de Douglas Selsam sous le nom de Laddermill, et dépose un brevet[6]. Ce projet, devenu KitePower[7], sera le point de départ de recherches plus approfondies de l'Université technologique de Delft d'où il est issu. Les projets de la société italienne KiteGen Research[8], en collaboration avec l’École polytechnique de Turin, verront le jour peu de temps après. Des écloisons (startups) développeront différentes méthodes.
  • 2010 Congrès spécialisé à l'Université de Stanford[9].
  • 2010 Congrès Mondial de l’Énergie de Montréal[10]
  • 2017 l'énergéticien E.ON, après avoir en 2016 investi dans la start-up écossaise Kite Power Systems, annonce (le 11 avril) préparer dans le comté de Mayo en Irlande un prototype de drone-planeur (dit « AP3 ») de 12 m d’envergure et 250 kW de capacité, relié à une génératrice en mer via un câble s'enroulant autour d'un treuil[11]. L'opération est co-portée avec la société néerlandaise Ampyx Power (créée en 2009)[11]. Le drone effectuera des mouvements en huit à 200-450 mètres d'altitude, avec 90% de matériaux en moins que pour une éolienne au sol. Si le test est concluant, une version « AP4 » de 2 MW pourrait être lancée (de quoi alimenter 2 000 foyers)[11]. Un financement participatif vise à lever 2,5 millions euros, en plus du soutien du programme « Horizon 2020 »[11].

La ressource[modifier | modifier le code]

Les recherches des spécialistes en climatologie Ken Caldeira (en) et Christina Archer[12] de l'Université de Stanford démontrent l'existence de l'énorme réservoir énergétique constitué par les vents d'altitude supérieure à celle des vents que peuvent capter les éoliennes conventionnelles sur tour. En effet la vitesse et la régularité du vent augmentent avec l'altitude en raison de l'éloignement du sol et des obstacles perturbant le flux d'air. La ressource la plus importante serait contenue dans les courants-jets (jet stream), point toutefois sujet à controverse, une étude[13] de l'Institut Max Planck menée par Axel Kleidon tendant à démontrer le contraire.

Méthodes envisagées[modifier | modifier le code]

Comme en témoignent les centaines de brevets d'invention sur le sujet, les projets d'éoliennes aéroportées, pour les plus avancés au stade de prototypes ou de preuves de concept, sont nombreux et peuvent être classés selon leurs caractéristiques techniques respectives. La liste des projets ci-après est loin d'être exhaustive[14] et est sujette à évolution rapide, l'éolienne aéroportée étant une industrie émergente.

Générateur en vol[modifier | modifier le code]

Pour les projets d'utilité, conversion en électricité acheminée vers la station.

Mode aérostat[modifier | modifier le code]

  • L'entreprise Altaeros Energies[15] basée au Massachusetts développe un prototype intégrant la turbine au ballon. Cette éolienne, baptisée « The Bat » (Buoyant Airborne Turbine), conçue par le MIT, est expérimentée depuis 2014 en Alaska. Elle peut atteindre des vents de haute altitude entre 300 et 600 mètres grâce à sa « bouée » gonflée à l’hélium de 10 mètres de diamètre ; son hélice centrale produit de l’électricité qui est transférée à la terre par des câbles métalliques. Sa puissance est de 30 kW. Il suffit de 24 heures pour la mettre en service ; elle pourrait être utile en remplacement des générateurs ou lors de catastrophe naturelle pour fournir rapidement de l’électricité[16].

Mode cerf-volant[modifier | modifier le code]

  • L'entreprise américaine Pacific Sky Power[17] commercialise un cerf-volant statique portant des turbines.
  • KiteLab Group[18], expérimentant différents systèmes, produit un cerf-volant statique et dont la ligne porte la turbine[19].
  • L'entreprise californienne Makani Power[21] développe un cerf-volant rigide portant des turbines, accomplissant des figures circulaires répétées, et pouvant décoller en mode hélicoptère.
  • Le projet français FlygenKite[22] développe un modèle réduit, la turbine alimentant un témoin lumineux permettant de visualiser les variations de puissance en vol statique et lors de figures en huit.

Générateur en bas[modifier | modifier le code]

Conversion mécanique par la traction transmise par un cable reliant un ou plusieurs appareils volants à la station.

Mode aérostat[modifier | modifier le code]

  • Le projet italien Twind[23], marque déposée, décrit un ballon muni d'une voile déployée lors de la phase de traction, repliée lors de la phase de rappel, selon une méthode analogue à celle décrite ci-après.

Mode cerf-volant[modifier | modifier le code]

La méthode dite "yoyo", ou "reel-out/reel-in" selon une expression anglaise traduisible par "débobinage/rembobinage", est bien représentée, comme le montrent les exemples ci-après. Le cerf-volant génère de l'énergie lors de la phase de traction pendant laquelle le cerf-volant s'éloigne en déroulant la corde du treuil qui entraîne le générateur électrique. Celui-ci est converti en moteur lors de la phase de rappel, le cerf-volant devant alors générer le moins possible de résistance à l'air.

  • La société KiteGen Research[8] développe sous le nom de Stem[24] un cerf-volant piloté par ses deux lignes au moyen des deux treuils respectifs au niveau du sol.
  • Dans le projet KitePower[7] les éléments de pilotage sont en l'air, suspendus à proximité du cerf-volant qui ne comprend alors qu'une seule ligne.
  • La société néerlandaise Ampyx Power[25] expérimente un système analogue au précédent, à ceci près que le cerf-volant est rigide, et est rappelé en mode planeur.
  • Le projet développé par SkyMill Energy, Inc.[26] relève également de la méthode dite "yoyo", appliquée à un cerf-volant de type autogire pour capter le courant-jet.

D'autres méthodes sont étudiées :

  • la méthode mettant en œuvre un bras de levier en tant que moyen de conversion, selon une étude émanant de David J.Olinger[27] de l'Institut Polytechnique de Worcester, et entrant dans le cadre d'une étude plus générale;
  • la méthode, en langue anglaise dite "dancing kites" de deux cerfs-volants œuvrant en synergie et élaborée par Moritz Diehl[28] dans le cadre de l'Université catholique de Louvain;
  • la méthode du Carousel[29] de la même société KiteGen Research[8];
  • étudié par Chul Park et Jong Chul Kim[30] , le système mobile d'une embarcation tractée par un cerf-volant, un hydrogénérateur assurant la conversion en électricité.

Défis à relever[modifier | modifier le code]

Les éoliennes aéroportées doivent permettre d'exploiter des vents de haute altitude plus puissants et réguliers, permettant un meilleur facteur de charge que les vents accessibles aux éoliennes conventionnelles, et ce pour une bien moindre dépense d'énergie grise, le cable ou les lignes remplaçant le mât. Les systèmes à cerfs-volants accomplissant des figures énergétiques[5] permettent de balayer une très grande aire de vent.

Toutefois des difficultés sont à résoudre et des inconvénients sont à prendre en considération :

  • la fiabilité[31] à long terme, qui reste à démontrer par des tests, notamment concernant l'automatisation des lancements et rappels de l'appareil volant ;
  • l'espace de sécurité nécessitant une importante zone inhabitée, en raison de la surface globale couverte par les cordes ou lignes du système, laquelle surface est décuplée selon la rose des vents;
  • la réglementation et la circulation aériennes;
  • l'usure plus rapide des matériaux résultant des contraintes mécaniques, de l'action du rayonnement ultra-violet particulièrement destructeur pour les cerfs-volants souples, de l'action d'autres éléments chimiques;
  • le rendement à surface balayée égale, bien inférieur (à part celui des éoliennes autogires et celui des turbines portées par des aérostats, par ailleurs balayant une aire plus limitée) au rendement d'une éolienne conventionnelle.

Le cabinet de conseil en énergie renouvelable DNV GL[32] a produit un rapport intitulé Market Status Report High altitude Wind Energy[33], soulignant le potentiel mais aussi les obstacles. Il préconise une installation en mer, car moins contraignante au regard de la sécurité et de l'acceptation du public.

Publications scientifiques[modifier | modifier le code]

Liste non exhaustive

  • Crosswind Kite Power[5] de Miles L.Loyd (voir plus haut):calcul de la puissance générée lors de figures énergétiques.
  • Windenergienutzung mit schnell fliegenden Flugdrachen[28] de Moritz Diehl (voir plus haut):éléments de base de calcul.
  • Power Kites for Wind Energy Generation[34] de Massimo Canale, Lorenzo Fagiano,et Mario Milanese : éléments de contrôle du vol.
  • Generic System Requirements for High Altitude Wind Turbines[35] de Nykolai Bilaniuk[36]: selon l'auteur le mode aérostat permet de résoudre les problèmes de mise en œuvre de l'éolienne aéroportée.

La page "Publications"[37] du site web de KitePower[7] de l'Université de technologie de Delft référence une collection de documents datés selon un ordre chronologique.

Organisations impliquées[modifier | modifier le code]

Liste non exhaustive

  • La NASA comporte un département d'études[38].
  • Airborne Wind Energy Industry Association[40] regroupe des compagnies et des chercheurs dans le domaine.
  • Airborne Wind Energy Consortium[41] regroupe des écloisons (startups) bien spécialisées.
  • Util Movement[42] est une association à caractère social impliquée dans la réalisation de produits pour une économie verte.
  • Near Zero[43] fait dialoguer des experts en énergie,et notamment dans le domaine de l'éolienne aéroportée[44],[45]. Les discussions ont abouti à un rapport[46] prônant en premier lieu le cerf-volant rigide évoluant en figures énergétiques[5].

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. http://www.ecosources.info/dossiers/Eolienne_zeppelin_ballon
  2. Irena (2017) « Innovation Outlook Offshore Wind » ; Off shore Wind, International Renewable Energy Agency, Abu Dhabi, Rapport PDF, 160 pages
  3. The Paradise within the Reach of all Men, without Labor, by Powers of Nature and Machinery: An Address to all intelligent men, in two parts (1833)
  4. http://www.speakerfactory.net/wind_old.htm ,Auto-oriented Wind Harnessing Buoyant Aerial Tramway,3 avril 1977
  5. a, b, c et d Crosswind Kite Power,J.ENERGY VOL.4,NO3 ARTICLE NO.80-4075 http://homes.esat.kuleuven.be/~highwind/wp-content/uploads/2011/07/Loyd1980.pdf
  6. http://www.google.com/patents/EP0841480B1?cl=fr EP0841480
  7. a, b et c http://www.kitepower.eu/
  8. a, b et c http://kitegen.com/
  9. http://www.awec2010.com/
  10. [1] Projet Eolicare:éolienne aéroportée
  11. a, b, c et d Connaissance des énergies, (2017), Éolien « aéroporté » : un drone producteur d’électricité qui intéresse E.ON, le 21 avril 2017.
  12. High-altitude winds: The greatest source of concentrated energy on Earth ,rapport de Stanford du 23 juin 2009
  13. High wind with low energy ,Institut Max Planck le 9 décembre 2009
  14. Des données plus complètes des projets sont archivées sur http://energykitesystems.net
  15. Altaeros Energies
  16. Éolienne volante - “The Bat” vole en Alaska, La lettre des énergies renouvelables du 29 septembre 2015.
  17. http://pacificskypower.com
  18. http://www.kitelabgroup.com/
  19. http://energykitesystems.net/KiteLab/WSIKF2009Augustflygen.jpg
  20. http://www.skywindpower.com/
  21. http://www.makanipower.com
  22. Profusion de couleurs au-dessus de Dieppe ,Le Monde du 10 septembre 2012 mentionnant le projet FlygenKite à l'occasion du Festival International de Cerf-volant de Dieppe de 2012
  23. Twind
  24. Kite Gen Stem
  25. http://www.ampyxpower.com/
  26. SkyMill Energy,Inc. ,Airborne Wind Energy Conference, 29 septembre 2010
  27. http://www.awec2011.com/david-j-olinger/ ,Airborne Wind Energy Conference, Louvain, les 24 et 25 mai 2011
  28. a et b Windenergienutzung mit schnell fliegenden Flugdrachen (3,35 mo);ce document,daté du 20 janvier 2010,contient également une étude des différentes méthodes
  29. Kite Gen Carousel
  30. Wind Power Generation With a Parawing on Ship,a Proposal ,Jong Chul Kim,korea Aerospace Research Institute and Chul Park,Korea Advanced Institute of Science and Technology,Daejeon,Korea
  31. Engineering Challenges of Airborne Wind Technology ,Fort Felker, Directeur du National Wind Technology Center, Airborne Wind Energy Conference, 28 septembre 2010
  32. http://www.dnvgl.com/energy/
  33. [2]
  34. http://kitegen.com/pdf/IEEECSM200712.pdf
  35. Generic System Requirements for High Altitude Wind Turbines ,Nykolai Bilaniuk,PDG de LTA Windpower,Ottawa,Canada,octobre 2009
  36. http://www.ltawind.com/
  37. http://www.kitepower.eu/publications.html
  38. NASA Wind Energy Airborne Harvesting System Study
  39. Des ailes pour un cerf-volant qui vise haut
  40. http://aweia.org/
  41. http://www.aweconsortium.org/
  42. http://utilmovement.wordpress.com/
  43. http://www.nearzero.org/
  44. Energy High in the Sky
  45. Airborne Wind discussion transcript
  46. http://www.nearzero.org/reports/AirborneWind/pdf