L’ÉNERGIE ÉOLIENNE

L’ÉNERGIE ÉOLIENNE

CONTEXTE DE L’ÉNERGIE ÉOLIENNE

L’objectif de ce chapitre est d’estimer l’ordre de grandeur de la quantité de matériaux composites impliquée dansla fabricationdes pales et qui devra éventuellement être traitée en fin de vie utile. Ceci sera fait à l’aide de rappels théoriques sur la production d’énergie éolienne et sur les principaux facteurs qui font en sorte que les éoliennes sont de plus en plus grandes.

 Augmentation de la puissance installée

L’industrie de l’énergie éolienne est en pleine croissance depuis quelques années, et tend à le rester encore pour plusieurs années selon les prévisions de différents organismes qui scrutent l’évolution de ce marché à l’échelle du globe [7, 65, 74]. Ainsi, l’Europe a déjà atteint une capacité éolienne installée de plus de 65946 MW — près du double des 37230 MW que fournit Hydro-Québec dans son ensemble [37] — tandis que 27542 MW sont installés en Amérique du Nord dont 2372 au Canada.

 Prévisions des installations

Selon le Conseil mondial de l’énergie éolienne (GWEC), l’Europe et l’Amérique du Nord installeront respectivement une puissance de 52000 MW et 55000 MW d’ici 2013 [65]. L’Association canadienne de l’énergie éolienne (CanWEA) prédisait que la puissance installée au Canada devrait passer de 1251 MW en 2006 à 8000 MW en 2015, et que la moitié de cette capacité devrait se retrouver au Québec. La figure 1.1 illustre les installations actuelles depuis 1992 et les prévisions d’installations d’éoliennes en Europe d’ici 2013. Les prédictions faites ces dernières années ont jusqu’à maintenant toujours été dépassées. Le marché de l’énergie éolienne européen est donc en pleine expansion, mais atteint sa vitesse de pointe. Selon l’étude de marché du GWEC, la quantité d’énergie éolienne installée en 2013 sera le double de celle installée en 2008 sur l’échelle du globe
où la croissance est particulièrement rapide en Chine. Ces informations peuvent servir à modéliser la quantité de matière à recycler et à situer les usines de recyclage le cas échéant.

 Diminution du coût de l’énergie

Le marché de l’énergie éolienne est mu par plusieurs facteurs. Les coûts de l’énergie éolienne diminuent d’année en année de façon à ce qu’aujourd’hui les parcs éoliens concurrencent les autres types de projets de construction de centrales électriques. La figure 1.2 montre l’évolution dans les prochaines années du coût de l’énergie éolienne issue des installations en mer bénéficiant de vents de classe 61 .La diminution du coût de l’énergie éolienne n’est pas étrangère aux initiatives gouvernementales sous forme d’incitatifs de développement des marchés et d’objectifs nationaux et internationaux, comme le protocole de Kyoto [24]. Les gouvernements s’engagent de plus en plus à favoriser cette filière énergétique en subventionnant les projets éoliens par des politiques guidées par un fort appui du public [24]. Les associations représentant le secteur de l’énergie éolienne et les organisations pour la protection de la biodiversité et de l’environnement (GWEC et Greenpeace) proposent ainsi un plan global nommé Wind Force 12 selon lequel 12 % de l’énergie produite en 2020 proviendrait de l’énergie éolienne.

Tendances dans la conception des éoliennes

Telle qu’illustrée à la figure 1.3, l’augmentation de la puissance des éoliennes passe par l’accroissement du diamètre des rotors permettant des économies d’échelle. Un plafond de la croissance de la taille des éoliennes sera vraisemblablement atteint étant données les limites des propriétés des matériaux.
La densité de puissance P/A [W/m2] disponible dans le vent peut être calculée à partir de l’équation 1.1 où ¯ ρ est la densité moyenne de l’air [kg/m3], U est la vitesse du vent [m/s] et A la surface balayée [m2]. Ceci correspond à l’énergie cinétique par unité de temps du vent pour une surface donnée.L’équation de la surface balayée 1.2 permet de constater que la puissance que peut théoriquement capter une éolienne est proportionnelle au carré du rayon du rotor R, donc de la longueur des pales de l’éolienne.A = πR2 (1.2)
Ainsi, une éolienne ne peut capter qu’une partie de l’énergie cinétique disponible dans le vent et CP < 1.L’étude des modèles disponibles sur le marché, tel que l’illustre la figure 1.4, montre que pour les éoliennes commerciales de grandes dimensions avec pales en fibres de verre, la masse des pales évolue proportionnellement au rayon du rotor à la puissance 2,3 (R2,3). Cette augmentation de masse avec le rayon plus faible que la progression en R3 théorique [47, 84, 29].
Cette atténuation de la croissance de la masse par rapport au rayon du rotor est née de différents compromis lors de la conception des pales en fibres de verre. L’évolution est rapide et dépend des besoins précis de conception.Puisque la masse des pales évolue plus rapidement avec le rayon (≈ R2,3) que l’énergie capturée (R2, voir équation 1.2), il est inévitable de faire appel à des matériaux encore plus légers, comme la fibre de carbone [47], et d’automatiser davantage les procédés de fabrication [29]. Les pales les plus récentes pour la Vestas V90 et DeWind 40 sont déjà en fibres de carbone et font appel à des procédés de pointe issues de l’aéronautique comme l’utilisation de préimprégnés. Ainsi, une meilleure consistance dans le laminé, une amélioration dans l’alignement des fibres, une plus grande fraction volumique de fibre φf et une réduction des matériaux non structurels accentuent davantage cette tendance.
Par ailleurs, à surface balayée égale, il vaut mieux une grande éolienne que plusieurs petites. Des économies d’échelle substantielles sont donc envisageables avec la construction d’éoliennes de grande taille. D’autant plus si elles sont installées en mer là où la vitesse du vent est accrue pour une même hauteur de tour comme il est expliqué dans la section suivante.

 Développement en mer

Les installations marines nécessitent plus de ressources que les installations terrestres, mais le vent bénéficie d’une rugosité z0 plus faible que sur terre, ce qui augmente de beaucoup la production énergétique. C’est une technologie coûteuse, quoique rentable, comparativement à des parcs éoliens sur terre. Ainsi, davantage de projets éoliens en mer voient le jour, bénéficiant de meilleurs rendements de vent.
La couche limite atmosphérique se compose de trois parties : la sous-couche rugueuse, la couche limite de surface et la couche d’Ekman tel que l’illustre la figure 1.5. Le profil de vitesse du vent dans la couche limite atmosphérique est tel que la vitesse du vent n’est pas constante selon l’altitude, mais augmente avec celle-ci. Ainsi, pour de grandes éoliennes, la vitesse de vent perçue par une pale située dans le bas du rotor est considérablement inférieure à celle perçue par une pale située au-dessus du moyeu.
C’est à l’altitude de la couche limite de surface que sont les rotors des éoliennes. Augmenter la hauteur des tours diminue l’effet des contraintes visqueuses crées par la surface terrestre [48]. Le tableau 1.1 donne les vitesses de vent correspondant aux classes de Battelle pour une hauteur de 30 m, 40 m et 50 m par rapport au sol. Ainsi, pour un endroit donné, une classe de Battelle y est associée et plus le rotor est haut, plus les vitesses de vent sont importantes.
La courbe représentée à la figure 1.5 correspond à l’évolution du profil de la vitesse du vent dans la couche limite. Ce coefficient permet alors l’utilisation de l’approximation simplifiée de l’évolution du profil de vitesse U(z) avec l’élévation .U(z)=U(zref)(z/zref)α (1.5)
Où z est la hauteur du moyeu et zref est la hauteur à laquelle les mesures de vent sont prises. U(z) etU(zref) sont, respectivement, les vitesses du vent à la hauteur du moyeu et celle au point de mesure. D’autres méthodes d’approximation de l’évolution du profil de vitesse existent. La hauteur de rugosité du sol z0 et la hauteur du moyeu z jouent un rôle important dans la vitesse U(z) perçue par ce dernier relativement à la vitesse moyenne mesurée ¯ U à un endroit donné [46].
L’énergie que peut capter une éolienne dépend fortement de la hauteur de la sous-couche rugueuse. Les éoliennes sont installées en mer pour profiter d’une faible hauteur de la sous-couche rugueuse. Les irrégularités du sol sont assimilées à une hauteur de rugosité z0. En effet, comme le montre le tableau 1.2, la hauteur de rugosité sur un plan d’eau est de beaucoup inférieure à celle du sol, même dans les cas d’un terrain complètement dégagé.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 CONTEXTE DE L’ÉNERGIE ÉOLIENNE
1.1 Augmentation de la puissance installée
1.1.1 Prévisions des installations
1.1.2 Diminution du coût de l’énergie
1.2 Tendances dans la conception des éoliennes
1.2.1 Développement en mer
1.2.2 Utilisation de l’espace et proximité des zones urbaines
1.2.3 Logistique de démantèlement
1.2.4 Gestion des éoliennes en fin de vie
CHAPITRE 2 MATÉRIAUX COMPOSITES
2.1 Matériaux composites
2.1.1 Plastiques renforcés à fibres courtes
2.1.2 Matériaux composites à matrice thermoplastique
2.2 Matériaux composites dans la fabrication de pales d’éoliennes
2.3 Composites thermoplastiques par infusion liquide du monomère
CHAPITRE 3 GESTION DES MATIÈRES RÉSIDUELLES
3.1 Impacts environnementaux liées au recyclage des pales
3.1.1 Gestion des matières résiduelles
3.1.2 Stratégies de gestion des déchets
3.2 Analyses du cycle de vie des éoliennes
3.2.1 Analyse du cycle de vie des résines
3.2.2 Résidus du procédé de fabrication
CHAPITRE 4 LE RECYCLAGE DES POLYMÈRES
4.1 Stratégies de valorisation des polymères
4.1.1 Recyclage primaire et secondaire
4.1.2 Valorisation thermique
4.1.3 Rejet écocompatible
4.2 Filières de traitement du polyamide 6
4.2.1 Solvolyse
4.2.2 Dissolution
4.2.3 Hydrolyse
4.2.4 Ammonolyse et aminolyse
4.2.5 Glycolyse
4.2.6 Dépolymérisation par pyrolyse
4.3 Recyclage des matériaux composites
4.3.1 Recyclage des composites thermoplastiques
4.3.2 Recyclage des pales d’éoliennes en polyamide 6
CHAPITRE 5 MÉTHODE EXPÉRIMENTALE
5.1 Définition des paramètres étudiés
5.2 Inventaire de cycle de vie : polyamide 6 et résine époxyde liquide
5.2.1 Eco indicator 99
5.3 Préparation de la matière première
5.3.1 Granulateur
5.3.2 Tamisage
5.3.3 Granulométrie
5.3.4 Séchage
5.4 Moulage des éprouvettes par injection
5.5 Essais de caractérisation
5.5.1 Mesure de la longueur des fibres
5.5.2 Mesure de l’épaisseur et de la largeur des éprouvettes
5.6 Analyse calorimétrique à compensation de puissance (DSC)
5.6.1 Détermination des températures et enthalpies de fusion
5.6.2 Mesure de l’état cristallin Xc
5.7 Essais de traction
5.8 Microscopie électronique à balayage (MEB)
CHAPITRE 6 RÉSULTATS
6.1 Distribution de la longueur des fibres
6.2 Enthalpies et températures de fusion et cristallisation
6.3 Caractérisation des propriétés mécaniques
6.3.1 Effet du type de résine
6.3.2 Effet du nombre de cycles
6.3.3 Effet de la dimension initiale des granulés
6.4 Fractographies au microscope électronique à balayage
6.5 Analyse du cycle de vie des résines
6.5.1 Méthode de la demande cumulée en énergie (CED)
CHAPITRE 7 DISCUSSION
7.1 Évolution de la longueur des fibres avec le nombre de cycles
7.2 Propriétés thermiques de du matériau recyclé
7.3 Variations de l’épaisseur des éprouvettes de traction
7.4 Comparaison des propriétés mécaniques avec des nylons 6 commerciaux
7.5 Effet du nombre de cycles sur le module d’élasticité
7.6 Analyse du cycle de vie des résines
7.6.1 Énergie provenant du soufre
7.6.2 Conclusion de l’écobilan
CONCLUSION
RECOMMANDATIONS
7.7 Poursuite du recyclage mécanique par broyage/injection
7.8 Moulage par compression de panneaux composites recyclés
7.9 Valorisation chimique
7.10 Caractérisation des effets environnementaux
7.11 Maintien des partenariats établis
ANNEXE I ANALYSE DIMENSIONNELLE DES ÉPROUVETTES
ANNEXE II COURBES CONTRAINTES-DÉFORMATION
BIBLIOGRAPHIE

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