La conversion d'énergie par les vagues constitue l'une des frontières les plus prometteuses en énergie renouvelable, offrant ainsi le potentiel d'extraire de grandes quantités de puissance du mouvement incessant des océans. Cependant, l'océan est un environnement particulièrement agressif. La corrosion de l'eau salée, la biosoudure, la charge cyclique des vagues et les rayons UV dégradent rapidement les matériaux de construction conventionnels. L'acier et l'aluminium, bien qu'ils soient forts, souffrent de corrosion et de fatigue dans les milieux marins, ce qui entraîne des coûts d'entretien élevés et réduit la durée de vie des services.

Qu'est-ce que le PRG de grande qualité marine?

Le plastique renforcé de fibre de verre de qualité marine est un matériau composite conçu spécifiquement pour une exposition prolongée à l'eau de mer, aux vagues et aux atmosphères marines. Il se compose de deux composants principaux : le renforcement des fibres de verre et une matrice de résine de polymères. Les fibres de verre fournissent résistance et rigidité, tandis que la résine les lie ensemble, les protège de l'environnement et transfère les charges entre les fibres. Le terme « grade marin » indique que le système de résine et le traitement de surface de fibre ont été optimisés pour la résistance à l'humidité, la stabilité aux UV et la résistance aux cloques osmotiques, un mode de défaillance commun pour les composites dans l'eau.

Types de fibres et orientation

Les fibres couramment utilisées sont le verre E (de qualité électrique) et le verre S (forte résistance). Pour les convertisseurs d'énergie de vague, le verre E est le plus répandu en raison de son excellent équilibre des propriétés mécaniques et des coûts. Les fibres peuvent être tissées en tissus (par exemple, tissage unidirectionnel, sergé ou unidirectionnel) ou orientées dans des tapis (mataillé de brins ou tapis de brins continus). L'orientation des fibres est critique : pour les composants tels que les poutres structurales ou les lames hydrodynamiques, les tissus unidirectionnels ou multiaxiaux sont utilisés pour aligner la résistance sur les principaux chemins de charge.

Systèmes de résine

La matrice de résine détermine la résistance chimique du composite, la tolérance thermique et la durabilité à long terme dans l'eau.

  • Résines de polyester[ – Résistance à l'eau faible et moyennement bonne; souvent utilisées pour les bateaux de plaisance et certains composants de la CEM qui ne subissent pas de contraintes extrêmes.
  • Résines d'ester de vinyle[ – Résistance chimique supérieure et allongement plus élevé que le polyester; elles absorbent moins d'eau et offrent une meilleure performance de fatigue.
  • Résines époxy[ – Les plus hautes propriétés mécaniques et l'adhérence, avec une résistance exceptionnelle à l'absorption et à la dégradation de l'eau. Epoxy est préféré pour les composants critiques tels que les lames de haute résistance, les roulements sous-marins et les cadres de charge.

Toutes les résines marines comprennent des additifs tels que les stabilisateurs UV, les retardateurs de flamme et les couches de gel qui fournissent une couche extérieure lisse et imperméable.

Procédés de fabrication

La fabrication de pièces GFRP de qualité marine pour les CEM utilise généralement l'une des nombreuses techniques de fabrication composite bien établies :

  • Largage de la main / Spray-up[ – Pour les composants de grande taille et de faible volume comme les modules de flottabilité personnalisés. Les fibres sont placées dans un moule et la résine est appliquée manuellement.
  • Infusion de vide / Moulage par transfert de résine (TMR) – Produit des pièces de qualité supérieure avec des rapports fibre/résine cohérents et moins de vides. Le renforcement sec est placé dans un moule scellé, et la résine est tirée sous vide.
  • Pré-prêdre et autoclave de séchage – Pour les composants les plus performants (par exemple, les pales de turbine dans les dispositifs hybrides à courant d'onde). Les fibres préimprégnées avec de la résine partiellement durcie sont mises en place et traitées sous chaleur et pression, fournissant des fractions de volume de fibres très élevées et une porosité minimale.

Le choix du procédé dépend de la taille des composants, des propriétés mécaniques requises, du volume de production et des contraintes de coûts.

Propriétés et avantages clés du PRG de grande qualité marine

Résistance à la corrosion

Contrairement aux métaux, les fibres de verre et les résines polymères ne réagissent pas avec l'eau salée d'une manière qui cause une perte de matériau. Cela élimine le besoin d'anodes sacrificielles, de revêtements et d'inspections régulières pour la rouille. La couche de gel ou la couche de résine externe fournit une barrière qui empêche la pénétration de l'eau pendant de nombreuses années. Même si des dommages mineurs se produisent, le composite ne se corrode pas localement de la même manière que le piquant d'acier; la réparation est souvent simple avec l'injection de résine ou les patchs.

Construction légère

La densité du GFRP (généralement 1,5 à 2,0 g/cm3) est d'environ un quart à un tiers de celle de l'acier (7,8 g/cm3) et environ la moitié de celle de l'aluminium (2,7 g/cm3). Cette réduction du poids a de profondes répercussions sur les dispositifs d'énergie des vagues.Les composants plus légers réduisent la charge structurelle des systèmes d'amarrage et des structures de support, ce qui permet une ancrage plus simple et moins coûteux.

Rapport force/poids élevé

Malgré son faible poids, le GFRP peut obtenir des résistances à la traction comparables à l'acier doux (p. ex. 200 à 1000 MPa selon l'orientation de la fibre et la fraction de volume). Combinées à la faible densité, la résistance spécifique (résistance par unité de poids) du GFRP est de 3 à 6 fois supérieure à l'acier. Cela permet aux ingénieurs de concevoir des structures minces et efficaces qui peuvent résister aux forces extrêmes des vagues océaniques – des forces qui peuvent dépasser plusieurs tonnes par mètre carré pendant les tempêtes.

Résistance à la fatigue

Les matériaux doivent supporter des centaines de millions de cycles sur une durée de vie de 20 à 30 ans. L'acier présente une limite de fatigue bien définie au-dessous de laquelle il peut résister à des cycles infinis, mais dans les milieux marins, la fissuration de corrosion peut abaisser cette limite. Les composites GFRP n'ont pas de limite de fatigue; ils démontrent plutôt une réduction progressive de la résistance au fil du temps. Cependant, parce que les fibres transportent la plupart de la charge et que la résine les protège de l'humidité, GFRP bien conçu peut avoir une excellente performance de fatigue. Les tests ont montré que les stratifiés GFRP peuvent conserver 70 à 90 % de leur résistance statique après 107 cycles dans l'eau de mer, surtout lorsque des résines vinylester ou époxy sont utilisées.

Flexibilité de conception

Les matériaux composites peuvent être moulés dans pratiquement n'importe quelle forme, permettant une optimisation hydrodynamique difficile ou impossible avec les métaux. Les lames pour convertisseurs oscillants de surtensions peuvent être dotées de courbes complexes et de distributions de torsion pour maximiser la capture d'énergie. Les modules de flottabilité peuvent être rationalisés pour réduire la traînée. En outre, GFRP peut être co-curisé avec des capteurs ou des inserts intégrés pour les points de fixation, réduisant le nombre et le poids de fixation.

Isolation thermique et acoustique

GFRP a une conductivité thermique inférieure aux métaux, ce qui permet de maintenir la température interne des appareils électroniques sensibles à l'intérieur des boîtiers scellés. Il amortit également les vibrations et le bruit, une propriété bénéfique pour réduire la fatigue structurelle et la pollution sonore sous-marine.

Applications de GFRP dans les convertisseurs d'énergie de vague

Les convertisseurs d'énergie de vague sont proposés dans de nombreux modèles, mais presque tous nécessitent des composants qui interagissent directement avec l'eau de mer et doivent survivre à des décennies d'abrasion, d'impact et de charge cyclique.

Modules de flottaison et structures flottantes

Les absorbeurs de points (p. ex., le dispositif CorPower Ocean) et les atténuateurs (p. ex., le concept Pelamis) dépendent de grands corps flottants qui se déplacent avec les vagues. Ils sont souvent fabriqués à partir de coquilles GFRP remplies de mousse ou d'air à cellules fermées. La coque composite assure l'intégrité structurelle, la stabilité hydrostatique et une surface lisse et résistante aux encrassements.

Lames et paddles hydrodynamiques

Dans les convertisseurs oscillants de ondes (OWSC), tels que l'appareil Oyster par Aquamarine Power, une grande palette ou rabat pivote en allers et retours avec mouvement d'onde, conduisant des cylindres hydrauliques. Ces palettes peuvent être de plus de 10 mètres de large et doivent résister à des charges de couple énormes. Fabriqués à partir de GFRP avec un noyau sandwich (p. ex., contreplaqué marin ou mousse PVC), les lames atteignent la rigidité nécessaire sans poids excessif.

Casiers et boîtiers sous-marins de protection

Les unités de décollage électrique (PTO), les générateurs et l'électronique de commande nécessitent des boîtiers étanches. GFRP est idéal pour ces boîtiers car il peut être moulé dans des formes complexes avec des joints intégrés, des brides et des entrées de câbles. Contrairement aux métaux, il ne corrode pas, de sorte que l'enceinte peut être mince et léger.

Cadres structurels et soutien

Certaines CEM utilisent des structures semblables à des fermes pour monter des turbines ou des points d'amarrage. Les tubes et les poutres GFRP sont de plus en plus utilisés au lieu de l'acier parce qu'ils sont plus légers, ne nécessitent aucune peinture ou protection cathodique, et peuvent être fabriqués avec des brides intégrales.

Composants du système d'amarrage

Les lignes d'amarrage et leurs bouées, pinces et connecteurs associés sont exposés à l'usure et à la corrosion. GFRP est utilisé pour les bouées et certains inserts de charge dans les amarres. Les câbles composites spécialisés (tels que ceux faits avec des fibres aramides ou polyesters) sont communs, mais les fairleads et les plaques de chaîne GFRP rigides aident à guider les câbles sans corrosion.

Autres demandes de niche

  • Les pales de turbines des dispositifs de colonne d'eau oscillante (OWC) bénéficient de la haute résistance et de la résistance à la corrosion de GFRP par vaporisation de sel aéroportée.
  • Protection des câbles sous-marins: Les plateaux de câbles et les restricteurs de virage GFRP empêchent les dommages pendant l'installation et le fonctionnement.
  • Plaques et échelles d'accès sur des structures fixes, remplaçant les grilles en acier lourd.

Défis et stratégies d ' atténuation

Malgré ses nombreux avantages, le GFRP de qualité marine n'est pas sans défis. Comprendre ces limitations permet aux ingénieurs de concevoir des dispositifs plus robustes et durables.

Dégradation UV

Lorsqu'elle est exposée à la lumière du soleil, la résine polymère (surtout le polyester) peut souffrir de photo-oxydation, entraînant des craies de surface, des microcraquages et une perte de gloss. Au fil du temps, les rayons UV peuvent pénétrer plus profondément, en embranchant le matériau. Mitigation : Les couches de gel avec stabilisateurs UV, systèmes de peinture ou revêtements protecteurs sont régulièrement appliquées.

Absorption d'humidité et inflammation osmotique

Même les résines de haute qualité absorbent une petite quantité d'eau au fil du temps (généralement 0,5 à 3 % en poids).Dans les stratifiés en résine de polyester qui ne sont pas bien durcis ou qui ont des vides, l'eau peut réagir avec des produits chimiques résiduels pour former des plaquettes osmotiques – bulles sous la couche de gel. Mitigation: Utilisation d'ester de vinyle ou de résines époxy (qui absorbent moins d'eau), cycles de guérison soigneux, perfusion sous vide pour réduire les vides, et des couches de gel barrière appropriées.

Fatigue mécanique et cripe

Bien que le GFRP ait une bonne résistance à la fatigue, une flexion répétée peut provoquer des fissures de matrice et des ruptures de fibres, en particulier sous charge de traction. Les concentrations de stress aux trous de boulons ou aux coins aigus peuvent déclencher des fissures. Le criep (déformation sous charge soutenue) est également une préoccupation pour les composants qui subissent une pression constante, comme les boîtiers en haute mer. Mitigation: Conception conservatrice avec de grands facteurs de sécurité, évitent les transitions brusques, l'utilisation de fibres unidirectionnelles dans les zones de tension et l'application de couches de précontrainte ou de compression.

Biosalissure marine

Les algues, les barnacles et les moules se fixent aux surfaces, augmentant la traînée et le poids tout en endommageant potentiellement la couche de gel. Sur les parties mobiles comme les lames, l'encrassement peut réduire la capture d'énergie. Mitigation: Application de peintures antisalissures (certaines peintures à base de cuivre, mais avec des préoccupations environnementales; maintenant, on utilise davantage de revêtements antisalissures à base de silicone).

Impact et abrasion

Contrairement aux métaux qui sont en train de se former, les composites peuvent se fissurer ou se délaminer localement. Migination:[ Utilisation de peaux plus épaisses, de couches sacrificielles ou de pare-chocs en caoutchouc dans les zones à haut risque.Certains fabricants intègrent des fibres aramides (Kevlar) pour améliorer la résistance aux chocs, mais cela augmente les coûts.

Recyclage et fin de vie

Contrairement à l'acier, qui peut être recyclé à l'infini, le GFRP est difficile à recycler en raison du mélange de fibres et de résine. Le dépollution est courant pour les petites pièces, mais les grands composants de la CEM posent un problème de déchets.Mitigation: Les recherches sur les résines bio-basées et recyclables (p. ex., thermoplastiques, vitrimètres) sont en cours. Le recyclage mécanique (grindage en matériau de remplissage) et le recyclage thermique (pyrolyse pour récupérer des fibres) sont commercialisés, bien que les fibres récupérées aient souvent une résistance inférieure.

Progrès réalisés dans le domaine des matériaux et de la fabrication

L'industrie du composite marin innove continuellement pour relever les défis ci-dessus et étendre l'enveloppe de performance du GFRP dans les convertisseurs d'énergie à ondes.

Résines nanocomposites

L'ajout de nanoparticules telles que des nanotubes de carbone, du graphine ou des nanocouches à la résine peut améliorer les propriétés mécaniques, la résistance aux UV et les performances des barrières. Par exemple, l'oxyde de graphine a été montré pour réduire l'absorption d'eau dans l'époxy de 60%.

Architectures hybrides de fibres

La combinaison de fibres de verre et de fibres de carbone crée un composite hybride qui équilibre les coûts, la résistance et la rigidité. La fibre de carbone améliore la rigidité et la fatigue, mais elle est coûteuse et susceptible de corrosion galvanique en contact avec les métaux.

Résines bio-basées et recyclables

Pour améliorer la durabilité, les chercheurs développent des résines à partir d'huiles végétales (soya, lin) et de lignine. Ces systèmes thermoset bio-basés peuvent avoir des propriétés mécaniques comparables à celles des résines dérivées du pétrole. Entre-temps, les résines thermoplastiques (par exemple, polypropylène, nylon) peuvent être refondues et retransformées.

Revêtements auto-guéris

Les microcapsules contenant des agents de réparation peuvent être intégrées dans la couche de gel. Lorsqu'une fissure se forme, les capsules brisent et libèrent un scellant qui remplit la fissure. Cette technologie, encore en recherche, pourrait considérablement prolonger les intervalles d'entretien pour les modules de flottabilité et les boîtiers.

Inspection et surveillance avancées

Les systèmes de surveillance de la santé structurelle (SHM) utilisant des capteurs de grilles de fibres intégrées Bragg (FBG) ou des capteurs d'émission acoustiques peuvent détecter en temps réel les dommages dans les composants GFRP. Cela permet une maintenance basée sur l'état plutôt que des révisions programmées, réduisant les coûts opérationnels.

Fabrication automatisée

La pose robotisée et la pose automatisée de bandes (ATL) sont en cours d'adaptation pour les grandes pièces marines. Ces processus réduisent les coûts de main-d'oeuvre, améliorent la répétabilité et réduisent les déchets.

Perspectives d'avenir et durabilité

L'adoption du GFRP de qualité marine dans les convertisseurs d'énergie des vagues devrait augmenter à mesure que l'industrie mûrira.

Évaluation du cycle de vie (ACV)

Les études préliminaires indiquent que les composants du CEM du PRGFR ont une empreinte carbone inférieure à celle de l'acier sur 20 ans lorsqu'on envisage d'en atténuer l'entretien et la corrosion.

Conception circulaire de l'économie

De nouveaux modèles WEC intègrent des principes de conception pour la recyclabilité : utilisation de résines thermoplastiques, évite de coller des matériaux différents, marquage des pièces pour faciliter le tri et intégration de contenu recyclé.Certains fabricants explorent des systèmes à boucle fermée où les vieilles lames GFRP sont broyées et utilisées comme remblais pour de nouveaux modules de flottabilité.

sur la normalisation et la certification

Les sociétés de classification (DNV GL, Bureau Veritas, Lloyd's Register) ont élaboré des règles spécifiques pour les composites dans les énergies marines renouvelables, qui prévoient des protocoles d'essai, des contrôles de qualité et des prévisions de durée de vie.

Réduction des coûts par échelle

Avec l'augmentation des projets d'énergie à l'échelle pilote à l'échelle commerciale, les réductions de volume sur la fibre de verre et la résine, ainsi que les procédés de fabrication optimisés, permettront de réduire le coût des composants GFRP. L'automatisation et la production de gros lots pourraient rapprocher les coûts de fabrication de l'acier, mais avec des coûts de cycle de vie totaux moins élevés.

Conclusion

Des modules de flottabilité et des lames hydrodynamiques aux boîtiers sous-marins et aux structures de soutien, le GFRP permet aux CEM de fonctionner de façon fiable dans le milieu océanique rude pendant des décennies. La recherche en cours sur les nanocomposites, les résines recyclables, les fibres hybrides et la fabrication automatisée promet de surmonter les limites existantes telles que la dégradation des UV, l'absorption d'humidité et l'élimination en fin de vie. À mesure que l'industrie de l'énergie des vagues progressera vers la commercialisation, le GFRP de qualité marine demeurera un matériau de base, permettant une extraction d'énergie rentable, durable et durable de nos océans.