Les matériaux composites s'imposent de plus en plus dans la construction d'équipements pour l'industrie hydroélectrique. Une étude de leur résistance 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 à l'industrie hydroélectrique. Le bois, utilisé pour les premières roues et conduites forcées, a été partiellement remplacé par l'acier au début du XIXe siècle. L'acier conserve sa résistance à la fatigue et résiste à l'érosion par cavitation et à la corrosion. Ses propriétés sont bien connues et les procédés de fabrication de ses composants sont parfaitement maîtrisés. Pour les grandes centrales, l'acier restera probablement le matériau de prédilection.
Cependant, face à l'essor des petites turbines (moins de 10 MW) et des micro-turbines (moins de 100 kW), les matériaux composites permettent de réduire le poids, les coûts de fabrication et l'impact environnemental. Ceci est d'autant plus pertinent que la demande en électricité ne cesse de croître. La capacité hydroélectrique mondiale installée, qui s'élève à près de 800 000 MW selon une étude de 2009 de Norwegian Renewable Energy Partners, ne représente que 10 % du potentiel économiquement viable et 6 % du potentiel techniquement viable. Le potentiel d'accroître la viabilité économique de l'hydroélectricité techniquement viable est renforcé par 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 méthode optimale est l'enroulement filamentaire. Un mandrin de grand diamètre est recouvert de mèches de fibres préalablement trempées dans un bain de résine. Ces mèches sont enroulées en spirales et en hélices afin de garantir la résistance à la pression interne, à la flexion longitudinale et à la manutention. La section « Résultats » ci-dessous présente le coût et le poids par mètre linéaire pour les deux diamètres de conduite forcée, d'après un devis de fournisseurs locaux. Ce devis a révélé que l'épaisseur nominale 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 diamètres.
Deux méthodes de fabrication ont été envisagées pour les aubes directrices et les ailerons de guidage : la stratification humide et l’infusion sous vide. La stratification humide utilise un tissu sec imprégné de résine par coulée et application à l’aide de rouleaux. Ce procédé, moins propre que l’infusion sous vide et ne permettant pas toujours d’obtenir une structure optimale en termes de rapport fibre/résine, est cependant plus rapide. L’infusion sous vide consiste à disposer des fibres sèches selon les orientations requises. L’ensemble est ensuite mis sous vide et des raccords supplémentaires sont fixés pour l’alimentation en résine, qui est aspirée dans la pièce lors de la mise sous vide. Le vide permet de maintenir une quantité optimale de résine et de réduire les émissions de composés organiques volatils.
Le carter de la volute sera fabriqué par stratification manuelle en deux moitiés distinctes sur un moule mâle afin d'obtenir une surface intérieure lisse. Ces deux moitiés seront ensuite collées, des fibres étant ajoutées à l'extérieur au niveau du point de collage pour assurer une résistance suffisante. La charge de pression dans le carter ne nécessitant pas de composite avancé à haute résistance, une stratification humide de tissu de fibre de verre avec une résine époxy sera suffisante. L'épaisseur du carter a été déterminée selon les mêmes paramètres de conception que celle de la conduite forcée. L'unité de 250 kW étant une turbine axiale, elle ne comporte pas de carter de volute.
Une roue de turbine combine une géométrie complexe et des contraintes de charge élevées. Des travaux récents ont démontré qu'il est possible de fabriquer des composants structurels à haute résistance à partir d'un SMC préimprégné découpé, présentant 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 découpé, un composite forgé, moulées par compression pour obtenir l'épaisseur requise. Cette même méthode peut être appliquée aux roues des turbines Francis et des hélices. La roue de la turbine Francis ne peut être fabriquée d'une seule pièce, car la complexité du chevauchement des pales empêcherait son extraction du moule. Par conséquent, les pales, la couronne et la bande de roulement sont fabriquées séparément, puis assemblées par collage et renforcées par des boulons traversant l'extérieur de la couronne et de la bande.
Bien que le tube de tirage soit plus facilement fabriqué par enroulement filamentaire, ce procédé n'est pas encore commercialisé avec des fibres naturelles. C'est pourquoi la stratification manuelle a été choisie, car il s'agit de la méthode de fabrication standard, malgré un coût de main-d'œuvre plus élevé. À l'aide d'un moule mâle semblable à un mandrin, la stratification peut être réalisée avec le moule à l'horizontale, puis le moule retourné à la verticale pour la polymérisation, évitant ainsi tout affaissement. Le poids des pièces composites varie légèrement en fonction de la quantité de résine dans la pièce finie. Ces valeurs sont basées sur un poids de fibres de 50 %.
Les poids totaux des turbines de 2 MW en acier et en composite sont respectivement de 9 888 kg et 7 016 kg. Les turbines de 250 kW en acier et en composite pèsent respectivement 3 734 kg et 1 927 kg. Ces poids sont calculés en supposant 20 aubes directrices par turbine et une longueur de conduite forcée 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 poids donne une estimation de base du poids de l'ensemble et de ses périphériques. Le générateur, la boulonnerie et les mécanismes d'actionnement des aubes ne sont pas inclus et sont supposés similaires pour les turbines en composite et en acier. Il convient également de noter que la modification de la roue, nécessaire pour corriger les concentrations de contraintes observées dans l'analyse par éléments finis, ajouterait du poids aux turbines en composite, mais cette quantité est supposée minime, de l'ordre de 5 kg, afin de renforcer les points de concentration de contraintes.
Compte tenu des poids indiqués, la turbine composite de 2 MW et sa conduite forcée pourraient être transportées par le V-22 Osprey, un avion rapide, tandis que la turbine en acier nécessiterait un hélicoptère birotor Chinook, plus lent et moins maniable. De même, la turbine composite de 2 MW et sa conduite forcée pourraient être remorquées par un F-250 4x4, alors que l'unité en acier exigerait un camion plus imposant, difficile à manœuvrer sur les chemins forestiers si l'installation était isolée.
Conclusions
Il est possible de construire des turbines à partir de matériaux composites, et une réduction de poids de 50 à 70 % a été observée par rapport aux composants en acier conventionnels. Ce poids réduit permet d'installer les turbines composites dans des endroits isolés. De plus, l'assemblage de ces structures composites ne nécessite pas d'équipement de soudage. Les composants requièrent également moins de pièces à boulonner, car chaque élément peut être fabriqué en une ou deux sections. Pour les petites séries de production modélisées dans cette étude, le coût des moules et autres outillages représente la part prépondérante du coût des composants.
Les petites séries présentées ici illustrent le coût d'une étude plus approfondie de ces matériaux. Cette étude permettra d'aborder l'érosion par cavitation et la protection des composants contre les UV après installation. Il sera peut-être possible d'utiliser des revêtements en élastomère ou en céramique pour réduire la cavitation ou garantir le fonctionnement de la turbine dans des régimes d'écoulement et de hauteur de chute empêchant son apparition. Il sera essentiel 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 de petites séries, certains composants composites peuvent s'avérer rentables grâce à la réduction de la main-d'œuvre nécessaire à leur fabrication. Par exemple, le coût de fabrication d'une volute pour une turbine Francis de 2 MW s'élèverait à 80 000 $ en acier soudé, contre 25 000 $ en composite. Cependant, en supposant une conception réussie des roues de turbine, le coût de moulage des roues composites est supérieur à celui des composants équivalents en acier. La roue de 2 MW coûterait environ 23 000 $ en acier, contre 27 000 $ en composite. Les coûts peuvent varier selon la machine. Enfin, le coût des composants composites diminuerait considérablement pour des productions en plus grande série si les moules étaient réutilisables.
Des chercheurs ont déjà étudié la fabrication de roues de turbines à partir de 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 permettant de démontrer la faisabilité et la rentabilité de la fabrication. Ce modèle pourra ensuite être testé afin de déterminer son efficacité et son applicabilité, ainsi que les méthodes permettant de prévenir une érosion par cavitation excessive.
Date de publication : 15 février 2022
