Introduction: Pourquoi les villes ont besoin d'énergie éolienne

Les centres urbains consomment plus des deux tiers de l'énergie mondiale et produisent une part correspondante des émissions de carbone. Alors que les villes s'engagent à atteindre des objectifs nets nuls et à réaliser des mandats en matière d'énergie renouvelable, la recherche de technologies décentralisées appropriées au site s'est intensifiée. Les panneaux solaires sur les toits sont devenus courants, mais l'énergie éolienne reste sous-utilisée dans des environnements urbains denses. Le défi n'est pas un manque d'énergie éolienne, mais plutôt la difficulté de déployer des éoliennes conventionnelles dans des espaces définis par un débit d'air complexe, une empreinte limitée et des règles strictes en matière de bruit et de vibrations.

Contrairement aux turbines à trois axes qui dominent les parcs éoliens en milieu rural et en mer, les VAWT présentent une philosophie fondamentalement différente. Leur arbre de rotor vertical leur permet d'accepter le vent de n'importe quelle direction sans mécanisme de lacet, et leur conception compacte, souvent visuellement plus basse, peut être intégrée à l'architecture du bâtiment plutôt que de nécessiter de grandes installations séparées.

Qu'est-ce que les turbines à vent à axe vertical?

Une turbine à vent à axe vertical est un convertisseur d'énergie éolienne dans lequel l'arbre du rotor principal est orienté verticalement, perpendiculaire au sol. Cette configuration signifie que les pales tournantes balayent un plan vertical, et le générateur, la boîte de vitesses et d'autres composants du train d'entraînement peuvent être situés au niveau du sol ou à la base de la structure, plutôt que dans une nacelle au sommet d'une tour. L'arrangement vertical élimine la nécessité d'un mécanisme de lacet pour orienter la turbine dans le vent parce que le rotor est également sensible au vent provenant de n'importe quelle direction de la boussole.

Les premières éoliennes connues, comme les éoliennes perses du 9e siècle, étaient des machines à axe vertical utilisées pour broyer le grain. À l'ère moderne, les recherches sur les turbines à axe horizontal se sont accélérées dans les années 1970 et 1980 dans le cadre d'une exploration plus vaste des énergies renouvelables.

Principales variations de conception

Les VAWT modernes se répartissent en deux catégories primaires, selon le principe aérodynamique qu'ils utilisent pour générer le couple :

  • Darrieus turbines: Nommées d'après l'inventeur français Georges Darrieus, ces turbines utilisent des forces de levage générées par des lames en forme de houle. Le design classique Darrieus ressemble à un batteur d'oeufs ou à un cerceau incurvé, mais les variantes incluent des conceptions droites de rotor H (aussi appelées Girolills) et des configurations hélicoïdales qui réduisent l'onduleur de couple.
  • Tolines Savonius: Ce sont des dispositifs à base de traînée, généralement construits à partir de deux ou trois scoops disposés en forme de S. Les turbines Savonius produisent un couple de départ élevé, fonctionnent bien à basse vitesse du vent, et sont mécaniquement simples et robustes. Leur efficacité est inférieure aux conceptions de Darrieus, mais elles excellent dans des conditions de vent turbulent et variable et sont souvent utilisées en combinaison avec des rotors Darrieus en configuration hybride.
  • Des conceptions hybrides et nouvelles :[ De nombreux fabricants contemporains combinent des éléments de conception de levage et de traînée, ou intègrent des caractéristiques telles que les lames hélicoïdales, les pas variables ou les écheveaux pour améliorer les performances, réduire le bruit ou améliorer l'intégrité structurelle.

Comment les VAWT se distinguent des turbines horizontales de l'axe

La différence fondamentale entre les VAWT et les turbines à vent horizontales (HAWT) les plus courantes réside dans l'orientation de l'axe du rotor. Cette différence semble simple en cascade dans une gamme de distinctions opérationnelles et pratiques:

  • Acceptation du vent: Les THA doivent se brancher pour faire face à la direction du vent; les THAV acceptent le vent de n'importe quelle direction sans réglage. Dans les milieux urbains où la direction du vent change rapidement en raison des sillages de construction et des effets de canalisation, cela élimine les pertes d'énergie et l'usure mécanique associées aux corrections fréquentes de lacet.
  • Placement du composant:[ Les THA placent le générateur, la boîte de vitesses et d'autres composants lourds dans une nacelle au sommet de la tour, exigeant un accès à la grue pour l'entretien.
  • Chargement structurel:[ Les THAV subissent une charge cyclique induite par la gravité sur les pales, qui tourne à travers le plan vertical, ce qui contribue à la fatigue. Les pales VAWT, qui tournent dans un plan horizontal, ne subissent pas cette charge cyclique de gravité de la même façon, bien qu'elles subissent une charge aérodynamique périodique lorsque chaque pale traverse des conditions de vent différentes pendant la rotation.
  • Profil sonore: Les VAWT fonctionnent généralement à des rapports de vitesse de pointe inférieurs à ceux des HAWT, ce qui signifie que les bouts de la lame se déplacent plus lentement dans l'air. Cela réduit le bruit aérodynamique du bord de fuite et de l'évitement du vortex.
  • Impact visuel : Les VATW sont souvent plus courts et plus compacts que les HAWW de capacité équivalente. Leur forme verticale peut être perçue comme moins intrusive, et certains plans architecturaux les intègrent dans les façades de bâtiments ou les éléments structuraux.

Avantages des VATF en milieu urbain

Les caractéristiques des VAWT s'harmonisent avec plusieurs exigences spécifiques des environnements urbains, les rendant particulièrement attrayants pour la génération distribuée dans les villes.

Capture de vent omnidirectionnelle

Les structures du vent urbain sont notoirement chaotiques. Les bâtiments créent des turbulences, des changements de canalisation et des changements de direction qui peuvent se produire en quelques secondes. Une turbine qui doit se brancher pour suivre le vent va se trouver derrière ces changements, soit en se balançant plus lentement que les changements de vent ou en se balançant rapidement, en consommant de l'énergie et en augmentant l'usure mécanique. Les VAWT acceptent le vent de n'importe quelle direction instantanément, ce qui signifie qu'ils peuvent capter l'énergie des flux turbulents et multidirectionnels qui causeraient une THA à sous-performer ou à cycler constamment son mécanisme de lacet.

Conception compacte et spatiale

Les VAWT ont une plus petite surface balayée par unité de capacité installée par rapport aux HAWT, et leur orientation verticale signifie qu'ils occupent une plus petite empreinte au sol. De nombreux VAWT peuvent être montés directement sur des structures de toit sans exiger les systèmes de fondation étendus typiques des turbines à tour. Certaines conceptions sont spécialement conçues pour être intégrées dans des parapets de construction, des murs, ou même des oreillettes, utilisant efficacement le bâtiment lui-même comme partie intégrante de la structure de support de la turbine.

Opération plus silencieuse

Le bruit des turbines éoliennes a deux composantes : le bruit mécanique du groupe motopropulseur (boîte à gaz, générateur, ventilateurs de refroidissement) et le bruit aérodynamique des pales qui se déplacent dans l'air. Les VAWT s'adressent favorablement aux deux sources. Comme le générateur et la boîte de vitesses peuvent être situés au sol et potentiellement isolés de la structure, la transmission mécanique du bruit dans les espaces occupés est réduite. L'opération à faible vitesse réduit le bruit aérodynamique, avec de nombreuses conceptions VAWT produisant des niveaux sonores comparables au bruit de fond urbain.

Entretien simplifié

Pour les THA, chaque opération de service majeur nécessite une grue ou une montée de la tour, qui sont toutes deux coûteuses et comportent des risques pour la sécurité. L'entretien VAWT peut souvent être effectué par un technicien debout sur le toit ou à la base de la structure, à l'aide d'outils standard et sans équipement de levage lourd. Cela réduit les coûts d'entretien, réduit les temps d'arrêt et rend l'inspection de routine plus pratique.

Amélioration de la sécurité pour la faune

Les THA, avec leur grande zone balayée et leur vitesse de pointe élevée, présentent un risque de collision bien documenté. Les THAV, avec leur vitesse de pointe inférieure, leur plus petite zone balayée et leur trajectoire différente (balançage vertical plutôt que horizontal), peuvent réduire les taux de collision. De plus, la rotation plus lente rend les lames plus visibles pour les oiseaux et l'orientation verticale crée moins de risques de barotraumatisme pour les chauves-souris. Bien que davantage de recherches soient nécessaires pour quantifier ces avantages, des études précoces suggèrent que les THAV peuvent coexister plus harmonieusement avec la faune urbaine.

Défis et considérations liés au déploiement urbain de la VATW

Malgré leurs avantages, les VAWT ne sont pas une solution universelle pour l'énergie éolienne urbaine. Plusieurs défis techniques, économiques et pratiques doivent être relevés pour réaliser leur potentiel.

Turbulence et modèles de vent dans les villes

La turbulence réduit l'efficacité de toute éolienne, car elle entraîne des charges fluctuantes et force la turbine à fonctionner plus fréquemment que son rapport de vitesse de pointe optimal. Pour les VAWT, la charge aérodynamique cyclique causée par chaque lame passant par différentes conditions de vent, car elle peut entraîner une fatigue structurelle, en particulier dans les conceptions de Darrieus à blanc. La turbulence induite par la construction réduit également la vitesse moyenne du vent disponible à hauteur du toit par rapport à la vitesse du vent en courant libre à la même altitude.

Production et efficacité énergétiques

Les VAWT ont généralement un coefficient de puissance inférieur (la fraction de l'énergie cinétique du vent convertie en énergie mécanique) aux VAWT de taille équivalente. L'efficacité théorique maximale de toute éolienne est la limite de Betz de 59,3 %. Les VAWT modernes à l'échelle de l'utilité atteignent une efficacité pratique de 40 à 50 %, tandis que les VAWT atteignent généralement 30 à 40 %, avec des conceptions Savonius à l'extrémité inférieure de cette gamme. Pour une zone balayée et une vitesse du vent donnée, un VAWT produira moins d'énergie qu'un VAWT. Dans les milieux urbains où l'espace disponible est limité, cette efficacité inférieure signifie que le rendement énergétique par mètre carré de surface du toit ou par unité de charge structurelle peut être inférieur à celui d'autres technologies renouvelables telles que les photovoltaïques solaires.

Contraintes de structure et d'installation

La construction d'un VAWT sur un bâtiment introduit des charges structurales que le bâtiment doit supporter, notamment des charges statiques (le poids de la turbine et de sa structure de support), des charges dynamiques (vibrations et forces transmises pendant l'opération) et des effets résonants (si la fréquence de rotation de la turbine coïncide avec la fréquence naturelle du bâtiment). Les vibrations causées par le vent peuvent être transmises par la structure, ce qui peut causer de l'inconfort aux occupants ou même une fatigue structurelle au fil du temps.

Facteurs économiques et périodes de remboursement

Les coûts d'entretien peuvent être inférieurs, mais les recettes provenant de la production d'électricité sont également inférieures en raison de la plus petite échelle et des facteurs de capacité moins élevés typiques du vent urbain. Dans la plupart des villes, le coût de l'électricité (LCOE) à l'aide d'un VAWT est nettement plus élevé que le prix de détail de l'électricité du réseau, ce qui signifie que l'installation ne rembourserait pas son coût de capital sur sa durée de vie sans subventions ou incitations. Toutefois, dans les endroits où les ressources éoliennes sont favorables, de bons tarifs d'alimentation ou où la production sur place déplace l'électricité de détail chère (comme dans les bâtiments commerciaux à forte demande), l'économie peut être plus favorable. La valeur de la résilience sur place et de la réduction du carbone joue également un rôle pour les organisations qui ont des engagements en matière de durabilité, même si le remboursement financier est plus long que les investissements sur le marché.

Barrières réglementaires et permises

Les règlements de zonage peuvent restreindre la hauteur des structures, réduire les exigences ou limiter l'impact visuel des équipements d'énergie renouvelable. Limites de bruit, reculs de sécurité, et préoccupations concernant l'éviction de glace dans les climats froids tout facteur dans les décisions de permis. Les districts historiques, les associations de quartier et les voies d'approche aéroportuaires peuvent imposer des restrictions supplémentaires.

Applications et études de cas dans le monde réel

Malgré les défis, des VATW ont été déployés dans des milieux urbains du monde entier, fournissant des données et des leçons précieuses pour les installations futures.

Un exemple notable est le déploiement d'éoliennes hélicoïdales Darrieus sur le toit du Bahrain World Trade Center, qui a été l'une des premières intégrations à grande échelle d'éoliennes dans un bâtiment commercial. Bien que ce projet ait utilisé des turbines à axe horizontal, il a démontré la faisabilité d'un vent intégré à la construction. Plus récemment, les installations VAWT ont été apparues sur des tours résidentielles en Europe, sur des poteaux d'éclairage urbain au Japon et sur des bâtiments industriels en Amérique du Nord.

L'intégration des VAWT avec les systèmes photovoltaïques solaires sur le même toit est particulièrement intéressante. Les profils complémentaires de production solaire (parallèles en journée, en été) et éolienne (souvent parallélisés en nuit et en hiver) peuvent aplatir la courbe de production globale, réduisant ainsi le besoin de stockage de batteries tout en augmentant la proportion de charge sur site qui est satisfaite par la production de sources renouvelables.

Une autre application émergente est l'utilisation de VAWT pour les tours de télécommunications hors réseau, les stations de surveillance à distance et les systèmes d'alimentation en cas de crise. Dans ces applications, la fiabilité de capter le vent de n'importe quelle direction, combinée à la capacité de fonctionner à basse vitesse, peut être plus importante que l'efficacité maximale.

Ressource externe: Le United States Department of Energy's Wind Energy Technologies Office fournit un aperçu utile des technologies éoliennes distribuées, y compris les VATW, à energy.gov/eere/wind/distributed-wind.

L'avenir de l'énergie éolienne urbaine avec les VATW

La trajectoire des VATF en milieu urbain est façonnée par la recherche continue, l'innovation technologique et l'évolution des cadres stratégiques.

Innovations technologiques

Les progrès de la science des matériaux, y compris l'utilisation de composites en fibre de carbone et d'alliages légers, réduisent le poids et le coût des lames VAWT tout en améliorant leur résistance à la fatigue. La fabrication additive (3D impression) est en cours d'étude pour produire des géométries complexes de lames qui optimisent les performances aérodynamiques pour des régimes de vent spécifiques. Les mécanismes de lames à points variables, qui règlent l'angle d'attaque des lames pendant la rotation, deviennent plus fiables et abordables, permettant aux VAWT de fonctionner efficacement sur une plus grande plage de vitesses du vent tout en réduisant les charges par vents violents.

Ressource externe: Le Laboratoire national des énergies renouvelables (NREL) a publié des recherches sur la modélisation et l'optimisation aérodynamiques de VAWT, disponibles à nrel.gov/wind.

Intégration avec les réseaux intelligents et les systèmes de construction

Un toit VAWT combiné à des panneaux solaires, à un stockage de batteries et à une station de recharge EV peut fonctionner comme un microréseau, fournissant de l'énergie pendant les pannes de réseau, réduisant les charges de demande et soutenant les services de réseau. La prévisibilité de la production éolienne, tout en étant variable, peut être prévue avec une précision accrue à l'aide de modèles d'apprentissage automatique formés sur les données météorologiques locales et l'historique des performances des turbines. Ces outils de prévision permettent aux exploitants de construire des installations à forte intensité énergétique pendant les périodes de haute génération, améliorant ainsi le rendement économique des investissements dans les turbines.

Appui politique et urbanisme

Les politiques municipales et nationales peuvent influer de façon significative sur l'adoption de l'énergie éolienne urbaine. Les tarifs d'alimentation, les crédits d'impôt et les subventions pour les systèmes d'énergie renouvelable distribués peuvent améliorer l'économie des installations de VAWT. Des processus d'autorisation simplifiés, des codes de zonage modèles qui traitent explicitement des éoliennes et des mises à jour des codes de construction qui comprennent des dispositions sur la production d'énergie éolienne peuvent réduire les coûts soft de l'élaboration de projets.

Ressource externe: Le Partenariat pour l'énergie verte de l'Agence américaine de protection de l'environnement fournit des conseils sur l'approvisionnement en énergie renouvelable, y compris le vent distribué, à epa.gov/greenpower.

Conclusion

Les turbines à vent verticales Axis offrent un ensemble de capacités unique qui s'harmonisent avec les contraintes et les possibilités des environnements urbains. Leur capture de vent omnidirectionnelle, leur empreinte compacte, leur fonctionnement silencieux et leur maintenance accessible en font une option viable pour la production d'énergie renouvelable sur place dans les villes où les turbines à axe horizontal classiques ne peuvent pas être utilisées.

Pour les urbanistes, les propriétaires de bâtiments et les professionnels de la durabilité, les VAWT méritent d'être pris en considération dans le cadre d'un portefeuille diversifié d'énergies renouvelables comprenant des mesures d'énergie solaire, de stockage et d'efficacité énergétique. À mesure que la technologie se développe et que l'environnement politique devient plus favorable, les VAWT sont susceptibles de jouer un rôle croissant dans les systèmes énergétiques décentralisés, résistants et à faible intensité de carbone des villes futures.

Ressource externe: L'Association mondiale de l'énergie éolienne publie des statistiques de marché et des rapports sur les petits vents et les vents urbains à wwindea.org.