MÉTHODES THERMIQUES

Un moyen éprouvé pour empêcher la glace de s’accumuler est de maintenir la surface à protéger à une température supérieure au point de congélation. Ce procédé nécessite une source externe d’énergie, mais il comporte le risque que les éléments chauffants électriques (métal ou fibre de carbone) attirent la foudre (Dalili, et al., 2009).

a) Résistances chauffantes

Il existe trois configurations possibles pour la protection à l’aide de résistances chauffantes :

- À l’extérieur de la pale (Figure 6a) : les dispositifs de chauffage sont collés à la surface extérieure de la pale. Les performances de cette configuration sont intrinsèquement liées à la résistance mécanique et aux propriétés thermiques de la colle. Les essais montrent que ces propriétés peuvent être modifiées par la température, ce qui pourrait entrainer un détachement des dispositifs de chauffage et donc des coûts additionnels.

- À l’intérieur de la pale — à l’intérieur de la résine (Figure 6b) : cette configuration ne peut pas être adaptée à une pale de turbine éolienne existante. Aucune étude n’a été réalisée sur cette configuration, mais la grande incertitude est l’effet de la chaleur sur la résine elle-même. Toutefois, avec l’émergence de matériaux composites, c’est une avenue de recherche intéressante. Cette technologie a été utilisée dans le Boeing 787 Dreamliner.

- À l’intérieur de la pale — à l’extérieur de la résine (Figure 6c) : cette configuration est semblable à la précédente, mais l’idée est de trouver une méthode plus efficace que le système à air chaud. La conduite d’air chaud sur une longue distance occasionne de nombreuses pertes, donc le système d’air chaud d’Enercon présentera un long temps de latence. Par contre, un courant électrique pourrait être utilisé pour le transport de la chaleur, au lieu d’utiliser de l’air. Ceci peut être réalisé en plaçant des éléments chauffants résistifs dans le conduit d’air. C’est aussi un sujet intéressant pour de futures recherches.

Figure 6: Différentes configurations de résistance thermique.

b) L’injection d’air chaud

De nombreuses tentatives ont été faites pour surmonter les problèmes et les dangers du givrage sur les avions. L’une des techniques d’antigivrage les plus communes est le soufflement d’air chaud dans la paroi adjacente à la zone de givrage. Le principe consiste à

Cette technique a été adaptée aux éoliennes par Enercon depuis 2009, et plus récemment par Senvion et Vestas. La technologie de Vestas sert uniquement au dégivrage, tandis que celles de Enercon et Senvion peuvent être utilisées aussi bien pour le dégivrage que pour l’antigivrage. Il existe deux différences principales entre son application sur les éoliennes et sur les avions :

- Dans un avion, l’air chaud est extrait directement du moteur propulseur et n’a donc pas besoin d’être chauffé.

- Dans les éoliennes, le moteur électrique est situé au pied de pale et l’air chaud doit être transporté sur une longue distance avant d’atteindre le bout de pale (Figure 7), contrairement aux avions où le moteur est situé au milieu de l’aile.

Le système a été testé au site de Saint-Brais, en Suisse, et a donné de bons résultats (Cattin, 2012). Il semble que le système d’injection par air chaud consomme plus d’énergie et nécessite plus de temps pour être efficace lorsque les conditions météorologiques se dégradent ou que la taille de la pale est plus grande. Pour une turbine ENERCON E-82, la consommation d’énergie du système de chauffage est d’environ 85 kW. Pour une vitesse nominale du vent, les turbines produisent encore environ 96 % de l’énergie en mode de chauffage (Cattin, 2012). La perte de production annuelle est d’environ 3,5 % avec le chauffage et de 10 % sans le chauffage des pales (Cattin, 2012). La perte de production due aux arrêts des turbines était de 3 % de la production annuelle et l’énergie de chauffage représentait 0,5 % de la production annuelle (Cattin, 2012).

Certains modèles numériques démontrent que l’efficacité de cette technique (notamment en mode antigivrage) décroit avec l’augmentation de la sévérité du givrage et la taille des éoliennes (Battisti, 2015). Ceci s’explique également par le fait que faire circuler l’air chaud sur une longue distance (rayon de la pale) entraine plus de pertes d’énergie. La température maximale acceptable à l’intérieur de la pale étant d’environ 72 ⁰C, il n’est donc pas possible de chauffer l’air suffisamment pour garantir une protection efficace, au risque d’endommager l’intégrité de la pale. De plus, le système d’air chaud ne peut être installé sur des pales d’éoliennes existantes (retrofit). C’est la principale raison pour laquelle plus de recherches ont été faites sur la protection des éoliennes contre la glace à l’aide de résistances chauffantes.

c) Chauffage par micro-ondes

Le système de prévention de l’accumulation de glace par micro-ondes a été proposé par Hansman en 1982 (Hansman & Turnock, 1988). Il a breveté un système qui permet de chauffer les gouttelettes d’eau en surfusion en leur transmettant de l’énergie électromagnétique par micro-ondes. La fréquence des micro-ondes est choisie de manière à être absorbée principalement par l’eau liquide.

Ce système permet une distribution uniforme de la chaleur, consomme moins d’énergie que les résistances chauffantes et le système à air chaud, est facile d’entretien et ne comporte aucun risque lié à la foudre (Mayer, et al., 2007). Les seules préoccupations de cette technique sont les questions de sécurité, car toute être vivant aux alentours de l’éolienne est exposé aux micro-ondes lorsque le système est en fonctionnement. Ces micro-ondes, selon leur fréquence et la durée d’exposition, peuvent représenter un danger pour la santé. Une tentative d’adaptation de ce concept aux éoliennes a été réalisée par la société LM Glasfiber.

d) Chauffage par infrarouge

est transférée d’un émetteur à travers l’atmosphère. Il ne nécessite aucune installation sur les pales et donc ne cause pas de rugosité supplémentaire sur les pales. Il peut être utilisé pour le dégivrage ou l’antigivrage. La glace fond en absorbant les radiations, puis se détache.

La glace a un fort taux d’absorption du rayonnement infrarouge, mais les matériaux aussi, qui doivent être choisis avec soin afin de ne pas absorber la même gamme de rayonnements et ainsi éviter leur surchauffe et tout risque d’incendie. Ceci est difficile à réaliser. Par exemple, pour une longueur d’onde donnée, l’aluminium poli absorbe 10 % des radiations, tandis que les huiles en absorbent 90 %. Les lubrifiants, les huiles et de nombreux autres composants de la nacelle peuvent aussi rapidement surchauffer (Ryerson, 2012).

Cette technologie nécessite la prise de précautions de sécurité particulières.