Présentation

Les villes, à mesure que la population urbaine s'enflamma et que la demande d'énergie propre s'intensifiait, explorent de plus en plus les sources décentralisées d'énergie renouvelable. Parmi les technologies les plus prometteuses mais sous-utilisées, on compte les éoliennes à axe vertical (VATW). Contrairement à leurs homologues à axe horizontal imposant, les VATW sont particulièrement adaptés aux environnements éoliens complexes des agglomérations.

Comprendre les turbines à vent à axe vertical

Les éoliennes à axe vertical sont définies par leur arbre rotor orienté verticalement. Alors que les éoliennes à axe horizontal (HAWT) doivent se brancher pour affronter le vent, les VAWT peuvent capter l'énergie de n'importe quelle direction sans réglage mécanique. Cette différence fondamentale de conception leur donne un avantage distinct dans les environnements urbains où le vent change constamment de direction et est perturbé par les bâtiments et les infrastructures.

Il existe plusieurs types principaux de VATW:

  • Turbines de darrieus — nommées d'après l'inventeur français Georges Darrieus, ces turbines utilisent des lames courbes ressemblant à un batteur d'oeufs.
  • Turbines Savonius — construites à partir de demi-cylindres ou de scoops, ces turbines fonctionnent avec des forces de traînée. Elles produisent des vitesses de rotation plus faibles, mais offrent un excellent couple de départ et sont très fiables dans des conditions de vent bas.
  • Turbines de rotor H (ou Giromill)[ — une variation de la conception de Darrieus en utilisant des lames verticales droites attachées à une tour centrale. Cette configuration simplifie la fabrication et permet une plus grande puissance à des vitesses de vent modérées.
  • Turbines héliques — un modèle hybride où les lames sont tordues le long de l'axe vertical, réduisant l'onduleur de couple et améliorant la douceur de fonctionnement.

Chaque type a des forces et des compromis spécifiques, mais tous partagent l'avantage principal de fonctionner indépendamment de la direction du vent.

Principaux avantages des VATF en milieu urbain

Les avantages des VAWT pour les villes dépassent largement la simple capture du vent. Lorsqu'ils sont déployés à l'échelle du bâtiment ou du district, ils offrent une gamme d'avantages pratiques, environnementaux et sociaux.

Conception compacte et efficacité spatiale

L'immobilier urbain est à la hauteur et l'espace libre est rare. Les VAWT peuvent être installés sur les toits, au-dessus des parkings, le long des autoroutes ou dans de petites poches de terrain entre les structures. Leur orientation verticale signifie qu'ils occupent une empreinte de sol relativement petite par rapport à la zone balayée d'une turbine à axe horizontal d'une capacité équivalente.

Capture de vent omnidirectionnelle

Dans les villes, le vent souffle rarement d'une seule façon. Les bâtiments créent des turbulences, des tourbillons et des effets de canalisation qui provoquent des changements rapides de vitesse et de direction du vent. Les THA traditionnelles fonctionnent mal dans de telles conditions parce que leurs mécanismes de lacet peinent à maintenir le rotor pointé dans le vent. Les THAV acceptent, par contre, le vent de toute direction sans ajustement. Cette caractéristique, connue sous le nom de omnidirectionnalité, leur permet d'extraire de l'énergie des flux de vent urbain chaotiques qui provoqueraient un retard ou une usure excessive d'une turbine horizontale.

Réduction du bruit et des vibrations

La pollution sonore est une préoccupation majeure pour toute installation mécanique dans une zone densément peuplée. Les VAWT génèrent généralement moins de bruit aérodynamique que les HAWT parce que leurs extrémités de pales se déplacent à des vitesses relatives inférieures. L'absence de boîte de vitesses dans de nombreux modèles de conduite directe élimine également une source primaire de bruit mécanique. En outre, la configuration de l'axe vertical réduit la transmission des vibrations de basse fréquence à travers la structure du bâtiment.

Sécurité de la faune et des personnes

Les VATF, avec leurs pales tournantes horizontales et rapides, présentent un risque important pour la vie des oiseaux. Les VATF, par contre, ont une vitesse de rotation plus lente et un tracé de la pale plus prévisible, ce qui les rend plus faciles à éviter pour les oiseaux. De plus, la hauteur inférieure du rotor réduit le risque de collisions avec des pales. Du point de vue de la sécurité humaine, les VATF sont intrinsèquement plus sécuritaires parce que leurs composants sont plus proches du sol et moins susceptibles de jeter de la glace ou des débris pendant l'exploitation.

Intégration esthétique

Les VAWT se prêtent à une intégration architecturale plus créative. Leurs formes verticales et élégantes peuvent être déguisées en éléments de construction, tels que des tours spirales, des installations sculpturales ou intégrées aux bords des toits. Les conceptions hélicoïdales et de rotor H, en particulier, sont souvent louées pour leur aspect moderne et minimaliste. Certains fabricants offrent même une personnalisation de couleur pour correspondre aux façades de construction.

Avantages techniques pour les conditions de vent turbulent

Le vent dans les villes est non seulement multidirectionnel mais aussi très turbulent, avec des fluctuations rapides de vitesse et de direction. Cet environnement présente des défis uniques pour l'aérodynamique des éoliennes. Les VAWT, en particulier les types Darrieus et H-rotor, présentent une meilleure performance dans le flux turbulent par rapport aux HAWT. Leur grande surface et leur grande solidité (rapport de la surface de la lame à la surface balayée) leur permettent de capturer plus d'énergie des rafales turbulentes.

Bien que la vitesse moyenne du vent à la hauteur du toit soit faible, l'intensité de turbulence peut être élevée et les VAWT sont spécialement conçus pour exploiter cette turbulence. Si elles sont combinées avec des systèmes locaux de stockage de l'énergie, les VAWT peuvent fournir une source fiable d'électricité distribuée pour l'éclairage, la CVC ou la recharge des véhicules électriques dans les bâtiments.

Impact économique et environnemental

Analyse coûts-avantages

Toutefois, en tenant compte des coûts de l'équilibre des systèmes, comme les permis, les travaux de fondation et le raccordement au réseau, les installations de VAWT peuvent être plus économiques en milieu urbain. Les exigences simplifiées de fondation (souvent montées sur le toit sans piliers en béton lourds) et la complexité réduite de la construction compensent certaines dépenses initiales. Les coûts d'exploitation à long terme sont également moins élevés parce que les VAWT ont tendance à nécessiter des travaux moins fréquents et que leurs composants sont plus accessibles pour les réparations.

Les progrès de la fabrication, en particulier l'utilisation de matériaux composites légers et l'impression 3D pour les lames, entraînent une baisse des coûts. À mesure que la production augmente, le coût de l'énergie de l'énergie pour les VAWT urbains devrait s'approcher de la parité avec le photovoltaïque solaire dans de nombreux endroits urbains, surtout lorsqu'il est combiné avec des systèmes éoliens intégrés à la construction.

Rendement énergétique dans les milieux urbains

Plusieurs études ont mesuré le rendement énergétique réel des VAWT en conditions réelles urbaines.Une étude notable de l'Université de l'Ouest de l'Angleterre a surveillé une turbine Savonius sur un toit à Bristol et a trouvé des facteurs de capacité annuelle de 12 à 15 %, comparables ou supérieurs aux petites turbines horizontales dans des endroits similaires. L'atelier ARUP -dirigé par le vent dans l'environnement bâti - a conclu que les VAWT pourraient contribuer de 10 à 20 % de la demande annuelle d'électricité d'un bâtiment dans des climats appropriés.

Réduction de l'empreinte carbone

Chaque kilowatt-heure produite par un VAWT déplace l'électricité du réseau qui peut provenir des combustibles fossiles. Selon les analyses du cycle de vie, les VAWT ont une période de récupération du carbone de 6 à 18 mois, en fonction des ressources éoliennes et des émissions de fabrication. Une fois opérationnels, ils produisent des émissions presque nulles. Dans les villes qui comptent également sur le gaz naturel pour la puissance maximale, les VAWT peuvent aider à réduire l'effet de l'île de chaleur urbaine en produisant de l'électricité localement sans combustion.

Défis et considérations

Frais d'installation et coûts initiaux

Malgré la baisse des prix, l'investissement initial pour un système VAWT demeure plus élevé que de nombreuses autres options renouvelables à petite échelle, comme le solaire sur le toit. Le coût du montage, du câblage et de l'intégration avec les systèmes électriques de construction peut entraîner des dépenses importantes.

Entretien et durabilité

Bien que les VAWT soient généralement plus faciles à entretenir que les VAWT parce que les composants sont au niveau du sol ou du toit, ils ne sont pas à l'abri de la défaillance. Les roulements d'un rotor orienté verticalement subissent des charges différentes de celles d'une turbine horizontale et, dans certains cas, ils sont sujets à la fatigue. Les débris, les oiseaux et la glace peuvent encore causer des dommages.

Évaluation du site et engagement communautaire

Le déploiement réussi des VATW dans les villes nécessite une analyse minutieuse du site. Des facteurs tels que les effets de sillage sur le toit, les hauteurs de construction avoisinantes et les modèles de vent locaux doivent être modélisés. Les simulations de dynamique des fluides informatiques (CFD) sont de plus en plus utilisées pour optimiser le placement des turbines.

Études de cas et exemples du monde réel

Plusieurs villes du monde entier ont déjà adopté des VAWT, offrant des leçons précieuses pour une adoption plus large.

  • Berlin, Allemagne — Un groupe de VAWT de type Darrieus installés sur le toit d'un bâtiment commercial du district de Mitte fournit environ 15% de l'électricité de la zone commune du bâtiment. Le projet a été intégré à un programme d'énergie renouvelable financé par la ville et fonctionne de façon fiable depuis plus de cinq ans.
  • New York City, USA — Le projet -Wind Tower au Yard de Brooklyn Navy utilise un VAWT hélical intégré dans une sculpture publique. Il alimente l'éclairage du parc adjacent et sert d'outil éducatif pour les visiteurs. Le projet a reçu un prix Urban Land Institute pour l'innovation.
  • Tokyo, Japon — Dans le quartier de Shinjuku, densément emballé, un ensemble de turbines Savonius a été installé sur un immeuble de grande hauteur pour compléter les panneaux solaires. Les turbines fonctionnent silencieusement et ont été bien acceptées par les résidents, qui apprécient la contribution au but zéro émission du bâtiment.
  • London, Royaume-Uni — Un toit-terrasse de VAWT au Kings Cross alimente le système de pompe de chauffage urbain. L'installation a été intégrée dans la façade du bâtiment, démontrant ainsi sa faisabilité esthétique.

Ces exemples montrent que les VATW peuvent être déployés avec succès dans différents climats, types de bâtiments et environnements réglementaires.

Tendances futures et innovations technologiques

Les chercheurs explorent l'utilisation de matériaux intelligents, tels que les alliages de forme-mémoire pour les lames qui peuvent se transformer pour optimiser les performances dans des vents variables. Des algorithmes d'apprentissage de la machine sont en cours de développement pour prédire les modèles de vent urbain et ajuster le fonctionnement de la turbine en temps réel pour un rendement maximal. Les systèmes hybrides qui combinent les VATW avec des panneaux solaires et le stockage de batteries sur un seul toit deviennent disponibles sur le marché, offrant une source renouvelable plus fiable et plus expéditable.

Une autre tendance prometteuse est le développement d'éoliennes intégrées à la construction , où la turbine fait partie de l'architecture du bâtiment plutôt qu'un add-on. Par exemple, certains nouveaux modèles de gratte-ciel intègrent les VAWT dans leurs bords, en utilisant la forme du bâtiment pour canaliser l'éolien et stimuler la performance de la turbine.

Pour de plus amples informations sur la performance technique des VATF, le du département américain de l'énergie] fournit un aperçu de la technologie et de son potentiel. Une étude approfondie sur le déploiement de l'énergie éolienne urbaine a été publiée par [Renouvelleable and Sustainable Energy Reviews], qui propose une analyse détaillée de l'adéquation du site.

Conclusion

Les éoliennes à axe vertical ne sont pas une panacée pour les défis énergétiques urbains, mais elles sont une technologie très complémentaire aux panneaux solaires et autres énergies renouvelables distribuées. Leur capacité à fonctionner dans le vent turbulent et multidirectionnel avec un minimum de bruit et une empreinte compacte les rend particulièrement précieux pour les villes. À mesure que les coûts baissent et que les améliorations de conception se poursuivent, les VAWT deviendront une option de plus en plus viable pour les propriétaires de bâtiments, les urbanistes et les professionnels de la durabilité.