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L'Usine de l'Energie

Éloge de la lenteur

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Des start-up font le pari d’exploiter les faibles courants d’eau et d’air pour produire de l’électricité. En se démarquant de la course au gigantisme de l’éolien et de l’hydrolien.

Éloge de la lenteur
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© L’arbre à vent développé par New Wind exploite l’éolien en ville.

Citius, altius, fortius. Plus vite, plus haut, plus fort. L’éolien copie depuis trois décennies la devise olympique. Engagé dans une course à la puissance, il a transformé les turbines en géantes accros aux grandes vitesses de vent. L’offshore mène la compétition : rotors de 150 mètres de diamètre (deux fois l’envergure d’un A 380), pales de 20 tonnes, mâts hauts de 100 mètres, nacelles de 400 tonnes déversant des flots de mégawatts… Derrière le gigantisme, il y a une logique industrielle imparable – produire plus et moins cher avec de grosses machines –, mais qui repose sur la grande vitesse [lire ci-contre]. Que le vent faiblisse et les géantes, optimisées pour les vents forts, ne produisent plus grand-chose. La course à la puissance a laissé de côté les faibles vitesses. Aujourd’hui, des start-up font le pari inverse en misant sur les écoulements lents comme source de puissance. Slow is powerful.

Des gisements d’énergie quasi illimités

Avec leur rotor de 24 centimètres, les picoturbines de Save Innovations, start-up grenobloise, prennent le contre-pied de la quête de puissances maximales disponibles sur un nombre limité de sites. « Nous changeons de paradigme. Nous voulons être partout pour exploiter les petites puissances, omniprésentes », revendique Gilles Lambinet, le responsable du développement. Les gisements d’énergie diffuse ont l’avantage d’être quasiment illimités pour celui qui sait les exploiter. « Cela implique de repenser l’usage et de viser la consommation locale », ajoute Bernard Perrière, le président et fondateur de Save Innovations. La start-up commercialise déjà un hydro-générateur de quelques dizaines de watts destinés à être traînés derrière des voiliers. Mais son ambition va plus loin. Elle envisage surtout d’insérer ses picoturbines dans les conduites d’eau pour alimenter les capteurs et débitmètres qui devraient pulluler dans les réseaux de distribution d’eau intelligents.

« Trouver une énergie disponible proche des gens », c’est la démarche de Jérôme Michaud-Larivière, le PDG et fondateur de la start-up parisienne New Wind, qui a exposé son arbre à vent au Bourget, lors du sommet sur le climat (COP 21). L’homme critique vertement l’évolution de l’éolien : « Les turbines ont tellement grandi qu’on doit les éloigner des lieux d’usage, les mettre dans des parcs pour les cacher et rentabiliser leur manutention complexe… On fait entrer l’éolien dans le vieux modèle classique centralisé de l’énergie. C’est absurde ! » New Wind veut utiliser l’énergie du vent présente au cœur des villes, au plus près des consommateurs. « C’est une énergie plus diffuse, tordue, instable, que les industriels négligent, mais qui est partout », ajoute-t-il. Le dirigeant veut l’exploiter avec un produit au design biomimétique : des « feuilles » qui génèrent chacune environ 100 watts, disposées en grappes d’une cinquantaine unités accrochées à un « arbre ». New Wind promet un arbre de 4,1?kilowatts capable de produire 2 500?kilowattheures par an d’électricité en ville en moyenne. Soit l’équivalent de la moitié de la consommation moyenne d’un foyer français.

« Pour s’attaquer aux puissances diffuses, aux basses vitesses, il faut une approche radicalement innovante », affirme Bernard Perrière. Tourner lentement présente des avantages en exploitation. Dans le cas des hydro-générateurs de Save Innovations, les roulements à billes sont superflus. Des paliers lisses, bon marché, suffisent. Il n’y a pas de turbulences, donc pas de phénomènes de cavitation qui abîment les turbines hydrauliques classiques. Adieu, métaux coûteux ! Place aux composites ! De nouvelles contraintes apparaissent également : les déperditions d’énergie doivent être traquées sans pitié. Pour éviter les pertes magnétiques, la start-up a dû développer un générateur sans fer – le métal utilisé pour guider les flux magnétiques. Son design épouse au plus près les aimants afin de capter leur flux sans fer. À la clé, un brevet de principe pour générateur électrique, un domaine pourtant sujet à d’intenses recherches depuis deux cent cinquante ans !

Design biomimétique

« L’exploitation de la basse vitesse est un domaine mal connu », remarque Jérôme Michaud-Larivière. D’autant plus pour les écoulements d’air turbulents qui règnent en ville. Pour ses aéroleafs, New Wind a choisi une turbine de type Savonius, capable de tourner avec des turbulences. Pour extraire de l’énergie de manière efficace dès la plus petite source de vent (de 2 à 16 mètres par seconde), l’entreprise a mis en place un système qui s’efforce de coller à la moindre saute d’humeur du vent : toutes les dix millisecondes, la vitesse de rotation de l’aéroleaf est mesurée et immédiatement ajustée afin d’obtenir le meilleur rendement. L’autre innovation consiste à passer de la feuille à l’arbre. Il s’agit de « répéter la génératrice un grand nombre de fois dans un petit volume sans que les effets de sillage ne pénalisent l’extraction d’énergie, explique le PDG de New Wind. Nous avons développé un algorithme capable de donner le nombre et les positions idéales des feuilles ».

La start-up de Boulogne-sur-Mer (Pas-de-Calais) Eel Energy a misé sur une technologie de rupture. Elle a remplacé les turbines par une membrane ondulante en composite recouvert de caoutchouc. Son PDG et fondateur, Jean-Baptiste Drevet, estime que ce design biomimétique présente « la solution la mieux adaptée à la ressource que constituent les courants d’eau marins, dont la vitesse est relativement faible ». Le courant fait onduler la membrane comme un poisson. Disposée sur et sous la membrane, une chaîne d’alternateurs linéaires développés en interne transforme cette ondulation en électricité. Le prototype mesure 2,5 mètres sur 2,5 mètres et s’installe dans deux mètres d’eau. Il produit 4?kilowattheures pour une vitesse de courant de 1,5 mètre par seconde. Le secret de cette performance ? « L’énergie se transmet par la pression de l’eau. Pour récupérer cette dernière, il faut de la surface. Notre machine tout entière est une surface de captage. À encombrement constant, nous récupérons deux fois plus d’énergie qu’une turbine », explique le dirigeant. Résultat : alors que les turbines hydroliennes d’Alstom et de DCNS sont cantonnées à de rares zones de très fort courant de marée (plus de 3 mètres par seconde), les machines d’Eel Energy pourront s’implanter dans 1 000 fois plus de lieux, se félicite-t-il. Autre avantage, les membranes ne génèrent qu’un faible effet de sillage. Autrement dit, il est possible de les rapprocher entre elles pour produire plus d’énergie dans un volume donné. « Nous pouvons concentrer dix fois plus nos machines qu’avec les turbines », assure Jean-Baptiste Drevet.

New Wind vise des machines capables de générer 1 mégawatt pour des courants de 2,5?mètres par seconde. Et affirme pouvoir en mettre 800 sur une surface de 1 kilomètre carré pour produire autant d’électricité qu’un réacteur nucléaire. Comme quoi basse vitesse ne signifie pas forcément petite puissance.

Quand grande vitesse rime avec intermittence


Il faut comprendre les ingénieurs de l’éolien. Les grandes vitesses ont un attrait irrésistible. L’énergie du vent est proportionnelle au cube de sa vitesse. Un vent deux fois plus fort, c’est huit fois plus d’énergie à récolter ! L’industrie éolienne a donc d’abord ciblé les sites les plus ventés, en nombre limité. Et les éoliennes ont grossi pour exploiter au maximum ces gisements de premier choix et réduire le coût de l’électricité produite (l’énergie captée croît avec le carré de la longueur des pales). Les turbines sont donc optimisées pour les grands vents aux dépens des brises, comme le montre la courbe orange qui indique la puissance électrique produite en fonction de la vitesse du vent. La courbe violette représente la distribution des vitesses du vent, soit le nombre d’heures par an pendant lesquelles le vent souffle à une vitesse donnée. Elle est largement décalée vers les basses vitesses par rapport à la courbe orange. L’éolienne produit donc l’essentiel de son énergie au cours des rares moments où les vents sont très forts. Tout le contraire d’une production régulière dans le temps, que le réseau électrique serait plus à même d’absorber. 

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