Cet article fait partie des 112 cas de l’économie bleue.

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Cas 68 : Turbines remodelées par la physique

Mar 8, 2013 | 100 Innovations, Autre

Le marché

Le marché mondial des turbines a été évalué en 2010 à +100 milliards de dollars. La demande mondiale d’éoliennes devrait croître à un taux annuel de plus 6 %, sous l’effet d’une forte expansion prévue des éoliennes. Une chute spectaculaire de la demande de turbines à gaz et à vapeur de l’ordre de 44% pour les services publics espagnols (30 milliards d’euros), de 27% pour ENEL, leader du marché italien, et de 17% pour E.on, le groupe allemand (6 milliards d’euros), le marché a connu sa plus forte baisse depuis des décennies. Toutefois, l’Agence internationale de l’énergie prévoit que la consommation mondiale d’énergie (et la demande de turbines) augmentera de 44 % entre 2006 et 2030, ce qui garantira une croissance stable de 2 % par an en moyenne en dehors de l’OCDE. Étant donné que l’Europe a besoin de 275 GW de nouvelles capacités d’ici 2020, en partie en raison du vieillissement des centrales électriques existantes, la demande mondiale va certainement reprendre. Il existe deux types de base : la turbine à impulsion et la turbine à réaction. Les turbines à réaction fonctionnent avec des variations de pression, les turbines à impulsion quittent l’air ou le liquide avec une énergie cinétique inférieure. Les plus grands fournisseurs mondiaux de turbines comprennent General Electric, Siemens, Alstom et ABB. General Electric exploite la plus grande usine de fabrication de turbines à gaz au monde à Greenville, en Caroline du Sud. Vestas A/S du Danemark est le plus grand fabricant d’éoliennes au monde. Cependant, Sinovel, Goldwind et Dongfang sont trois concurrents chinois qui se rapprochent rapidement sur tous les fronts.

L’innovation

Le marché des turbines a fait l’objet de nombreuses innovations pour accroître son efficacité. La production combinée de chaleur (vapeur) et d’électricité, également connue sous le nom de cogénération, est l’un des fruits à faible rendement qui a été récolté au cours de la dernière décennie. L’Europe produit actuellement 11 % de son électricité par cogénération, le Danemark, les Pays-Bas et la Finlande étant en tête. Con Edison, la société américaine d’électricité fournit de la vapeur à 100 000 bâtiments de Manhattan, dans l’État de New York, en utilisant la chaleur excédentaire de 7 centrales énergétiques de la région. Beaucoup d’efforts ont été consacrés à la conception des lames, certaines s’éloignant des formes lisses. Cette innovation connue sous le nom de lames Tubercle Blades s’inspire des baleines et a permis d’augmenter l’efficacité de 20 % tout en réduisant considérablement le bruit. Cependant, la plupart des turbines sont conçues pour fonctionner avec de la vapeur et du gaz, tandis que la plus grande efficacité peut être atteinte dans l’eau qui est – pour être précis – 823 fois plus dense. Aaron Davidson est un inventeur qui s’intéresse de près à la dynamique des fluides et aux radiofréquences et travaille depuis 1994 sur les turbines venturi. Il a étudié l’effet d’une gaine en forme de venturi forçant l’eau à passer par une entrée qui se rétrécit, ce qui, après avoir traversé la gorge, crée un tourbillon à basse pression derrière la turbine, tirant l’écoulement à travers la turbine. Il a ensuite construit des turbines venturi de grande taille et en a testé l’efficacité. Lorsqu’il s’est rendu compte que l’efficacité pouvait être multipliée par 3,8 par rapport à la même turbine sans le carénage, il a perfectionné le système par un processus d’essais et d’erreurs. Aaron a établi le record du monde (qui tient toujours) en 2003 pour la plus haute efficacité jamais atteinte avec une turbine hydraulique, dépassant les ingénieurs de Northrop Grumman Aero Space qui avaient établi le meilleur record à ce jour en 1978. Sur la base d’avancées convaincantes, Aaron a ensuite créé Tidal Energy Pty Ltd (Australie) en 1999 avec Craig Hill pour former une équipe capable de couvrir le génie civil, structurel, mécanique, marin et environnemental. L’écoulement de l’eau dans le conduit (ou l’enveloppe) avec une turbine située dans la gorge rétrécie permet d’obtenir un meilleur rendement et une sortie multipliée. La turbine tourne à une vitesse de 20 à 30 tours par minute, ce qui la rend sécuritaire pour la vie aquatique. La conception de l’appareil est simpliste et propice à la production de masse avec la facilité de montage et d’emballage plat pour le transport. Le gouvernement du Queensland a obtenu l’appui du réseau local Sustainable Energy Innovation Fund et le gouvernement fédéral australien a accordé une subvention pour commercialiser cette nouvelle technologie. En 2005, Aaron et Craig ont testé leurs unités et ont conclu que le temps était prêt pour la commercialisation. Alors que le gouvernement australien n’a jamais calculé le potentiel de ce type d’énergie pour l’ensemble du pays, le Royaume-Uni a établi que cette innovation pourrait fournir jusqu’à 59 GW d’électricité au réseau des îles britanniques.

Le premier flux de trésorerie

Les essais ont réussi à injecter de l’électricité dans le réseau pour aussi peu que 1% par kWh avec un coût d’investissement d’un million de dollars pour un mégawatt de capacité de production. Une nouvelle turbine enveloppée fournie par Tidal Energy génère autant que trois turbines à écoulement libre. L’utilisation de matériaux extrudés de haute qualité et une simplification de la conception ont encore réduit les dépenses d’investissement. Le bio-encrassement, l’un des problèmes typiques de tout système à base d’eau, est surmonté grâce à la vitesse plus élevée à l’intérieur du conduit. Lorsque le groupe d’investissement Latin Energy, basé en Floride, a appris qu’il était possible de produire en série et d’emballer à plat les turbines expédiées par conteneur partout dans le monde pour assemblage final et installation, il a immédiatement signé un bon de commande de 18 millions de dollars australiens.

L’opportunité

La turbine enveloppée peut être placée au fil des rivières, à l’entrée des baies, entre les îles et le continent, ainsi que dans les courants océaniques ouverts. Pendant que ce système fonctionne dans un sens, il pourrait inclure un dispositif de commutation pour suivre l’inversion des courants océaniques après le reflux et la marée. Le dispositif pourrait également être fixé à la sortie des centrales hydroélectriques en aval des barrages, ce qui permettrait d’exploiter l’énergie perdue autrement. C’est la cogénération des flux d’eau et l’exploitation de la pleine puissance de la gravité dans le futur. L’application évidente est de placer la turbine enveloppée dans les courants océaniques à écoulement rapide. Ces éoliennes pourraient être considérées comme des parcs d’éoliennes sous-marins ressemblant davantage à un moteur à réaction puisque la conception à venturi accélère l’écoulement à travers l’éolienne. Un débit d’eau de 15 km/h équivaut à la même puissance qu’un vent de 380 km/h. Cette innovation fait de la construction de parcs éoliens en mer une option coûteuse et peu compétitive. Au lieu d’investissements importants et très coûteux et à fort effet de levier pour des parcs éoliens offshore qui sont au moins de l’ordre de 100 millions de dollars, la technologie des éoliennes Venturi de Davidson-Hill s’adresse aux petits et moyens investisseurs à un coût d’un million de dollars par unité, réduisant le coût par cent, offrant ainsi aux entrepreneurs cent fois plus l’occasion de se lancer dans une nouvelle et efficace forme d’accès énergétique. L’argument le plus attrayant en faveur de la turbine enveloppée proposée par Aaron et Craig est peut-être qu’elle peut fonctionner dans un espace limité et que sa conception peut être ajustée en fonction des zones disponibles. La même technologie qui pourrait rendre les îles autosuffisantes en énergie pourrait alimenter les communautés montagnardes près des ruisseaux froids et des lacs glaciaires. Un pays riche en eau comme le Japon pourrait rapidement exploiter la puissance de ses pluies excessives dans les montagnes et réduire sa dépendance à l’égard du nucléaire. Un pays comme le Bhoutan, qui a déjà investi dans des turbines à débit régulier, pourrait tripler sa production d’électricité avec le débit d’eau existant – et en raison du changement climatique, probablement en baisse – et simplement passer d’un modèle à l’autre une fois les turbines existantes mises hors service. Considérant que l’électricité est la principale exportation du pays, ce serait l’application du principe de base de l’économie bleue ” utiliser ce que l’on a ” afin de générer du développement sans avoir besoin d’une consommation matérielle supplémentaire.

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