L’érosion des pales d’éoliennes

Cette photo qui date de 2019 circule sans source. Pas d’information sur son origine, sur la durée de vie de la pale ou le contexte, notamment le site d’installation de l’éolienne. Mais c’est l’occasion de vous parler de l’érosion des pales d’éoliennes. Est-ce un vrai sujet ?

Il est faut éviter les conclusions simplistes sur des sujets complexes. Je le répète souvent : la durabilité des matériaux et équipements dépend de nombreux paramètres. Sans contexte, une photo comme celle-ci ne veut rien dire.

L’érosion des pales d’éoliennes est un phénomène connu. Un article de référence qui date de 2013 identifie en détails le problème et les solutions existantes. La photo ci-dessous présente un exemple avec durée de service (sources en fin d’article).

Cette érosion touche le revêtement appliqué sur le composite de la pale pour le protéger des agressions environnementales, dont les effets d’impacts transversaux pouvant réduire ses performances. Mais ces revêtements peuvent se dégrader en fonction des conditions d’exposition.

Les éoliennes sont exposées aux conditions météorologiques locales : pluie, grêle, vent. Les particules, à grande vitesse, impactent le revêtement de la pale comme des projectiles et l’usent, de manière plus ou moins lente en fonction des cas. La vitesse de rotation élevée des pales (280 km/h) associée à la forme des pales fait que cette érosion n’apparait qu’au niveau des bords d’attaque (« leading edge » ci-dessous), dans la partie extérieure des pales, qui va entrer en contact avec l’air en premier.

Ces dégradations ont un impact significatif sur les performances aérodynamiques de l’éolienne, dès l’apparition des premières rugosités sur le revêtement. Cela peut aller jusqu’à atteindre l’intégrité de la pale, lorsque le revêtement est complètement dégradé.

En fonction des cas ce sera réparation ou remplacement de la pale. Les réparations peuvent se faire en atelier, ce qui demande beaucoup de temps d’immobilisation. In situ les conditions d’applications peuvent être critiques pour l’application des patchs de réparation. Si mal appliqués les patchs ne dureront que quelques mois. Il faut également trouver une fenêtre d’intervention favorable, mobiliser les moyens de réparation offshore. Ce sont donc des coûts importants pour les exploitants, en termes de perte de production d’électricité.

Mais aussi de coûts de réparation, à inclure à celui des inspections périodiques (2-3 ans). Cela touche à la rentabilité de l’éolienne. La période de garantie constructeur des pales est de 5 ans. Ensuite c’est l’exploitant qui sera en charge des réparations.

[Aparté] La prise en compte du bruit dans la règlementation a limité la vitesse de pointe des éoliennes terrestres. Mais elle est bien moins restrictive en mer. C’est aussi l’une des raisons, en plus de la présence de l’environnement agressive (eau+sable+sel) qui explique que les éoliennes offshores sont plus sujettes à ce type de dégradation. Cela augmente la vitesse d’impact de la pluie et des particules sur la pale et donc les conséquences sur le revêtement de protection. [FIN d’aparté]

Il n’y a pas que l’eau ou le sable. Ici le cas d’une pale en Australie dans une zone où il y a de nombreux insectes. Photo prise au bout d’un an. Le problème n’est pas insurmontable. Et les cas extrêmes sont rares, l’érosion prématurée se voit dès la 1ère inspection

Il y a des propositions de classification des dégâts associés à l’érosion des pales, afin d’adapter la réparation associée mais aussi pour mettre en place des essais en soufflerie sur les revêtements ou autres solutions proposées pour une évaluation de leur résistance à l’érosion.

Il existe plusieurs solutions permettant de répondre à cette problématique. Elles doivent répondre à un cahier des charges précis dont :

  • Résister à l’abrasion dans les conditions d’exposition réelles (à étudier en détail au préalable)
  • Adhérer parfaitement au composite structurel
  • Générer peu de défauts au moment de la mise en œuvre
  • Générer peu de problèmes aérodynamiques

La base pour éviter les problèmes c’est de bosser le cahier des charges !!

Les solutions de revêtements:

  • Thermodurcissables (époxy, polyesters) classiques. Peu résistants à l’érosion dans les cas de chocs très violents
  • Souples, qui résistent très bien à l’abrasion par amortissement mais pouvant avoir une adhérence limitée avec le composite

Les solutions peuvent être un intermédiaire entre ces deux types de revêtement pour maximiser la résistance à l’abrasion et l’adhérence. Comme toute application non automatisée, la surveillance à la mise en œuvre est un point clé pour éviter les défauts et décollement précoces.

Il y a aussi des produits manufacturés qui ont l’avantage d’être moins sensibles aux défauts de mise en œuvre comme :

  • les bandes adhérentes (souples)
  • les boucliers anti-érosion intégrés à la structure (coque métallique ou polymère) déjà utilisées sur les hélices d’hélicoptères

La solution est à choisir en fonction des cas, parfois les revêtements ou les bandes adhérentes suffiront, dans d’autres cas, il faudra utiliser une coque de protection.

La réduction de ce phénomène peut aussi se faire en réduisant la vitesse des pales. Mais cela implique une réduction de la production d’électricité. Il y a donc un compromis à trouver entre tous ces paramètres en fonction de l’agressivité de l’environnement.

Même avec un revêtement durable, il sera nécessaire de réaliser des réparations sur une durée de vie de 25 ans. Mais le choix de la solution la plus adaptée permet de réduire considérablement les fréquences et coûts d’intervention ainsi que l’indisponibilité de l’éolienne.

Je suis experte dans une commission ISO/TC 035 qui intègre des spécifications techniques pour les revêtements de protection des pales d’éoliennes. Mais ce n’est pas la seule instance à traiter le sujet, avec mise à dispo d’un référentiel d’essais conséquent

SOURCES:
Blade Care Academy (source photo)
Keegan et al 2013
Herring et al 2019
Gaudern 2014
Schramm et al 2017
Elhadi et al 2019

Petit lien vers le Thread Twitter :

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