Les matériaux composites gagnent du terrain dans la construction d'équipements pour l'industrie hydroélectrique. Une étude de la résistance des matériaux et d'autres critères révèle de nombreuses autres applications, notamment pour les petites et micro-unités.
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L'essor de nouveaux matériaux offre des perspectives prometteuses pour l'industrie hydroélectrique. Le bois, utilisé dans les roues hydrauliques et les conduites forcées d'origine, a été en partie remplacé par des composants en acier au début du XIXe siècle. L'acier conserve sa résistance malgré des charges de fatigue élevées et résiste à l'érosion par cavitation et à la corrosion. Ses propriétés sont bien connues et les procédés de fabrication des composants sont bien développés. Pour les grandes unités, l'acier restera probablement le matériau de choix.
Cependant, compte tenu de l'essor des petites turbines (moins de 10 MW) et des micro-turbines (moins de 100 kW), les composites peuvent être utilisés pour gagner du poids et réduire les coûts de fabrication et l'impact environnemental. Ceci est particulièrement pertinent compte tenu du besoin continu de croissance de l'approvisionnement en électricité. La capacité hydroélectrique mondiale installée, près de 800 000 MW selon une étude de 2009 réalisée par Norwegian Renewable Energy Partners, ne représente que 10 % de la capacité économiquement réalisable et 6 % de la capacité techniquement réalisable de l'hydroélectricité. Le potentiel d'intégrer une plus grande part de la capacité techniquement réalisable de l'hydroélectricité dans la capacité économiquement réalisable des composants composites augmente grâce à la capacité des composants composites à générer des économies d'échelle.
Fabrication de composants composites
Pour fabriquer la conduite forcée de manière économique et avec une résistance élevée et constante, la meilleure méthode est l'enroulement filamentaire. Un grand mandrin est enveloppé de câbles de fibres passés dans un bain de résine. Ces câbles sont enroulés en cercles et en hélices pour assurer la résistance à la pression interne, à la flexion longitudinale et à la manutention. La section des résultats ci-dessous présente le coût et le poids au pied pour les deux tailles de conduite forcée, d'après un devis de fournisseurs locaux. Ce devis a montré que l'épaisseur de conception était déterminée par les exigences d'installation et de manutention, plutôt que par la charge de pression relativement faible ; elle était de 2,28 cm pour les deux tailles.
Deux méthodes de fabrication ont été envisagées pour les portillons et les aubes de maintien : la stratification humide et l'infusion sous vide. La stratification humide utilise un tissu sec, imprégné par coulée de résine sur le tissu, puis par l'utilisation de rouleaux pour l'injecter dans le tissu. Ce procédé est moins propre que l'infusion sous vide et ne produit pas toujours la structure optimale en termes de rapport fibres/résine, mais il est plus rapide. L'infusion sous vide positionne les fibres sèches dans les bonnes orientations. La pile sèche est ensuite mise sous vide et des raccords supplémentaires sont fixés pour alimenter la résine, qui est aspirée dans la pièce lorsque le vide est appliqué. Le vide permet de maintenir la quantité de résine à un niveau optimal et de réduire la libération de composés organiques volatils.
La volute sera fabriquée manuellement en deux moitiés distinctes sur un moule mâle afin d'obtenir une surface intérieure lisse. Ces deux moitiés seront ensuite assemblées par ajout de fibres à l'extérieur, au point de collage, pour garantir une résistance adéquate. La charge de pression dans la volute ne nécessitant pas de composite avancé haute résistance, une superposition humide de tissu de verre avec une résine époxy sera suffisante. L'épaisseur de la volute a été calculée selon les mêmes paramètres de conception que la conduite forcée. L'unité de 250 kW est une machine à flux axial ; elle ne comporte donc pas de volute.
Une roue de turbine combine une géométrie complexe avec des exigences de charge élevées. Des travaux récents ont démontré que des composants structurels à haute résistance peuvent être fabriqués à partir d'un SMC préimprégné coupé, offrant une excellente résistance et rigidité.5 Le bras de suspension de la Lamborghini Gallardo a été conçu à partir de plusieurs couches de SMC préimprégné coupé, appelé composite forgé, moulé par compression pour obtenir l'épaisseur requise. La même méthode peut être appliquée aux roues Francis et d'hélice. La roue Francis ne peut être fabriquée d'un seul tenant, car la complexité du chevauchement des pales empêcherait son extraction du moule. Ainsi, les pales, la couronne et la bande de la roue sont fabriquées séparément, puis assemblées et renforcées par des boulons à l'extérieur de la couronne et de la bande.
Bien que l'enroulement filamentaire soit le procédé le plus simple à fabriquer pour l'aspirateur, ce procédé n'a pas été commercialisé avec des fibres naturelles. C'est pourquoi le laminage manuel a été choisi, méthode de fabrication standard, malgré des coûts de main-d'œuvre plus élevés. À l'aide d'un moule mâle similaire à un mandrin, le laminage peut être réalisé horizontalement, puis tourné verticalement pour durcir, évitant ainsi tout affaissement d'un côté. Le poids des pièces composites varie légèrement en fonction de la quantité de résine dans la pièce finie. Ces chiffres sont basés sur un poids de 50 % de fibres.
Les poids totaux des turbines en acier et composite de 2 MW sont respectivement de 9 888 kg et 7 016 kg. Les turbines en acier et composite de 250 kW pèsent respectivement 3 734 kg et 1 927 kg. Ces totaux supposent 20 vannes pour chaque turbine et une conduite forcée d'une longueur égale à la hauteur de chute de la turbine. Il est probable que la conduite forcée soit plus longue et nécessite des raccords, mais ce chiffre donne une estimation approximative du poids de l'unité et de ses périphériques. Le générateur, les boulons et le matériel d'actionnement des vannes ne sont pas inclus et sont supposés être similaires entre les unités composite et en acier. Il convient également de noter que la reconception de la roue, nécessaire pour tenir compte des concentrations de contraintes observées dans l'analyse par éléments finis, ajouterait du poids aux unités composites, mais ce poids est supposé minime, de l'ordre de 5 kg pour renforcer les points de concentration de contraintes.
Avec les poids indiqués, l'éolienne composite de 2 MW et sa conduite forcée pourraient être soulevées par le rapide V-22 Osprey, tandis que la machine en acier nécessiterait un hélicoptère birotor Chinook, plus lent et moins maniable. De plus, l'éolienne composite de 2 MW et sa conduite forcée pourraient être remorquées par un F-250 4×4, tandis que l'unité en acier nécessiterait un camion plus gros, difficile à manœuvrer sur les routes forestières si l'installation était isolée.
Conclusions
Il est possible de construire des turbines en matériaux composites, et une réduction de poids de 50 à 70 % a été constatée par rapport aux composants en acier conventionnels. Ce poids réduit permet l'installation de turbines composites dans des zones reculées. De plus, l'assemblage de ces structures composites ne nécessite pas de matériel de soudage. Les composants nécessitent également moins de pièces à boulonner, chaque pièce pouvant être fabriquée en une ou deux sections. Pour les petites séries modélisées dans cette étude, le coût des moules et autres outillages domine le coût des composants.
Les petites séries présentées ici illustrent le coût des recherches supplémentaires sur ces matériaux. Ces recherches pourraient permettre d'améliorer l'érosion par cavitation et la protection UV des composants après installation. Il serait possible d'utiliser des revêtements en élastomère ou en céramique pour réduire la cavitation ou garantir que la turbine fonctionne dans des conditions de débit et de hauteur manométrique empêchant la cavitation. Il sera important de tester et de résoudre ces problèmes, ainsi que d'autres, afin de garantir que les unités atteignent une fiabilité comparable à celle des turbines en acier, notamment si elles sont installées dans des zones où la maintenance est peu fréquente.
Même pour ces petites séries, certains composants composites peuvent être rentables grâce à la réduction de la main-d'œuvre nécessaire à leur fabrication. Par exemple, le soudage d'un carter de spirale pour l'unité Francis de 2 MW en acier coûterait 80 000 $, contre 25 000 $ pour la fabrication de composants composites. Cependant, en supposant une conception réussie des roues de turbine, le coût de moulage des roues composites est supérieur à celui de composants équivalents en acier. La roue de 2 MW coûterait environ 23 000 $ en acier, contre 27 000 $ pour les composants composites. Les coûts peuvent varier selon la machine. De plus, le coût des composants composites diminuerait considérablement pour les séries de production plus importantes si les moules pouvaient être réutilisés.
Des chercheurs ont déjà étudié la construction de roues de turbine en matériaux composites.8 Cependant, cette étude n'a pas abordé l'érosion par cavitation ni la faisabilité de la construction. La prochaine étape pour les turbines composites consiste à concevoir et à construire un modèle réduit qui permettra de prouver la faisabilité et l'économie de fabrication. Cette unité pourra ensuite être testée pour déterminer son efficacité et son applicabilité, ainsi que les méthodes permettant de prévenir l'érosion par cavitation excessive.
Date de publication : 15 février 2022
