Éoliennes sans pales : l’avenir de l’énergie propre

Les chercheurs de l’Université de Glasgow explorent activement des moyens pour augmenter la puissance des éoliennes sans pales (BWT). Pour cela, ils fournissent des informations dérivées de simulations informatiques¹ de ces turbines, en identifiant les conceptions les plus efficaces pour les modèles futurs.

Les chercheurs ont déclaré :

« Les résultats pourraient aider l’industrie des énergies renouvelables à faire passer les BWT, qui sont encore à un stade précoce de la recherche et du développement, des expériences de terrain à petite échelle à des formes pratiques de production d’électricité pour les réseaux électriques nationaux. »

Les éoliennes sans pales sont une forme en développement de méthode de production d’énergie éolienne qui est principalement étudiée par les chercheurs. Cependant, elles attirent rapidement l’attention, avec leur marché qui croît tout aussi rapidement.

En 2022, la taille du marché mondial des éoliennes sans pales était estimée à environ 60,5 milliards de dollars et devrait dépasser les 116 milliards de dollars d’ici 2030, poussé par la demande croissante d’énergie renouvelable à travers le monde.

Contrairement aux éoliennes traditionnelles, les éoliennes sans pales sont plus silencieuses et occupent moins d’espace. Elles s’adaptent également plus rapidement aux changements de direction du vent, ce qui les rend très utiles dans les environnements urbains avec des vents turbulents.

Un autre grand avantage des BWT est qu’elles réduisent l’impact environnemental, en particulier en ce qui concerne la faune. Pour les oiseaux, les turbines à pales augmentent le risque de collisions car les pales à rotation rapide des turbines peuvent sembler floues ou être invisibles. Les turbines sans pales bougent considérablement moins, permettant aux animaux comme les oiseaux de les éviter plus facilement.

Le poids faible et le centre de gravité plus bas des BWT, entre-temps, réduisent le besoin de fondation, ce qui simplifie l’installation des turbines sans pales.

La conception plus simple de ces turbines nécessite moins d’entretien que les turbines normales, ce qui augmente leur durée de vie utile.

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Qu’est-ce que les éoliennes sans pales et comment fonctionnent-elles ?

Issus de ressources naturelles qui se renouvellent, les énergies renouvelables sont clés pour passer à des systèmes énergétiques moins intensifs en carbone et plus durables.

Les sources d’énergie renouvelable incluent le vent, la lumière du soleil, la pluie, les vagues, les marées, l’énergie thermique et la biomasse. Ces ressources sont essentielles non seulement pour réduire notre dépendance aux combustibles fossiles mais également pour atténuer le changement climatique.

Parmi les sources d’énergie renouvelable, l’énergie éolienne est une source en croissance rapide. En 2024, les énergies renouvelables et le nucléaire ont ensemble fourni près de 41 % de la production d’électricité mondiale. Parmi les énergies renouvelables, l’énergie solaire a eu la plus grande contribution, suivie de la production éolienne, qui a augmenté à 8,1% de la production d’électricité mondiale.

Selon l’Agence internationale de l’énergie (AIE), les énergies solaire et éolienne devraient représenter 95% de toutes les capacités renouvelables ajoutées d’ici 2030.

Pour exploiter l’énergie éolienne, les turbines éoliennes sont généralement utilisées, qui convertissent l’énergie mécanique du vent en puissance électrique. Cependant, une autre façon d’utiliser l’énergie éolienne est à travers des conceptions de récolte d’énergie basées sur la vibration aéroélastique de structures flexibles.

Au cours des deux dernières décennies, la récolte d’énergie aéroélastique a gagné beaucoup d’attention avec un focus particulier sur la vibration induite par les tourbillons (VIV) de corps bouffis de forme cylindrique. La technologie VIV a capturé un intérêt substantiel, conduisant à diverses recherches numériques et expérimentales.

La vibration induite par les tourbillons est entraînée par l’élimination alternée de tourbillons des deux côtés des corps bouffis. Cela conduit à des forces de sustentation et de traînée régulières ainsi qu’à de grandes oscillations transversales dans les structures.

Lorsque la fréquence d’élimination des tourbillons correspond à la fréquence naturelle de la structure, cela conduit à un mouvement instable et à des oscillations d’amplitude très grande. Ce comportement est bien connu sous le nom de phénomène de verrouillage.

Un concept innovant pour exploiter l’énergie éolienne en tirant parti des oscillations d’amplitude élevée des structures en présence de VIV et de verrouillage est les éoliennes sans pales (BWT).

Une BWT se comporte effectivement comme un corps bouffi placé dans un flux de fluide qui crée des tourbillons en initiant la séparation du flux de sa surface. De cette façon, la BWT montre un potentiel énorme pour la production d’énergie dans une plage spécifique de vitesses de vent. Ainsi, la conception de turbines sans pales avec une amplitude d’oscillation plus forte peut augmenter leur production d’énergie ainsi que la plage de vitesse de vent opérationnelle simultanément.

Étant donné le potentiel des BWT pour extraire l’énergie renouvelable, des efforts sont faits pour exploiter le VIV pour la production d’électricité à des échelles de puissance faible, allant de 1 à 100 W.

Des études ont également été menées pour évaluer la relation entre la production de puissance de la BWT et les variables de conception telles que la longueur du mât, le poids et la vitesse du vent. De plus, la recherche explore la plage de vitesse de vent opérationnelle des BWT à travers un système de réglage. Mais nous n’avons pas encore de clarté sur l’efficacité des éoliennes sans pales.

Puisque le vent n’est pas une ressource finie, il est important de déterminer si une efficacité maximale entraîne une production de puissance maximale de la BWT.

Cependant, il n’est pas encore connu si la puissance de sortie peut être améliorée pour une puissance d’entrée du vent constante. De plus, il y a une pénurie de modélisation d’interaction fluide-structure des éoliennes sans pales, qui peut être utilisée facilement pour explorer les paramètres de ces turbines et obtenir des réponses sur leur efficacité.

Par conséquent, l’étude la plus récente des chercheurs de l’Université de Glasgow vise à aider à accélérer les initiatives en cours pour mettre à l’échelle les modèles de BWT existants, qui sont actuellement à petite échelle, pour des applications à plus grande échelle sur des sites offshore.

Cette recherche répond à des questions sur l’efficacité et la production de puissance des éoliennes sans pales en développant un modèle numérique simple pour examiner le mécanisme physique des VIV dus aux BWT. Les chercheurs ont fourni un cadre analytique complet, qui aborde le défi critique d’optimiser les BWT pour une extraction de puissance maximale tout en maintenant l’intégrité structurelle.

Les éoliennes sans pales peuvent-elles concurrencer les turbines traditionnelles ?

Les turbines éoliennes conventionnelles à pales ont été un moyen populaire de conversion du vent en électricité depuis longtemps. Ces turbines convertissent directement l’énergie cinétique du vent en mouvement de rotation des pales, qui alimente ensuite un générateur pour produire de l’électricité.

Les éoliennes sans pales, ou BWT, fonctionnent sur un principe différent de celui des turbines à pales. Le principe fondamental ici est le VIV, et au lieu de pales, ces turbines utilisent des mâts cylindriques étroits et hauts qui vibrent ou oscillent dans la brise.

Pour construire des éoliennes sans pales (BWT) pour une efficacité maximale, l’équipe de chercheurs de l’Université de Glasgow a simulé des conceptions de BWT à plusieurs milliers.

Cela leur a permis de trouver le point optimal qui maximise la production d’énergie sans affecter négativement la solidité de la structure. Selon le Dr Wrik Mallik, de l’École d’ingénierie James Watt :

« Cette étude montre pour la première fois que, contre-intuitivement, la structure avec l’efficacité la plus élevée pour extraire l’énergie n’est pas en fait la structure qui donne la production de puissance la plus élevée. Au lieu de cela, nous avons identifié le point idéal entre les variables de conception pour maximiser la capacité des BWT à générer de la puissance tout en maintenant leur solidité structurelle. »

Les résultats de l’étude fournissent des informations sur la façon dont les dimensions du mât, y compris la largeur et la hauteur, influencent non seulement la quantité de puissance produite mais également l’intégrité structurelle de ces turbines.

Cela a révélé un compromis qui n’était pas connu auparavant, à savoir que tandis que l’augmentation du diamètre du mât améliore l’efficacité et l’extraction de puissance, une efficacité maximale de 6 % et une puissance maximale de 600 watts sont atteintes grâce à des configurations géométriques distinctes.

Cependant, les configurations qui sont optimisées uniquement pour la production de puissance tendent à dépasser les limites de sécurité structurelles, tandis que celles qui maximisent l’efficacité fournissent une production de puissance sous-optimale.

Ainsi, la conception idéale est un mât de 80 centimètres de diamètre et 80 centimètres de hauteur, selon les résultats de l’étude publiés dans Renewable Energy.

Un tel équilibre optimal entre puissance et solidité est capable de livrer en toute sécurité 460 watts de puissance, une performance meilleure que les prototypes réels actuels qui ont un maximum de 100 watts.

« À l’avenir, les BWT pourraient jouer un rôle inestimable dans la production d’énergie éolienne dans les environnements urbains, où les turbines éoliennes conventionnelles sont moins utiles. »

– Dr. Malik

Les résultats de l’étude peuvent jouer un rôle important pour assurer la sécurité de la structure dans les vents allant de 20 à 70 miles par heure. Selon les chercheurs, leur méthodologie pourrait permettre la mise à l’échelle des éoliennes sans pales pour générer 1 000 watts (1 kilowatt) ou plus.

Avec cette recherche, l’idée est d’encourager l’industrie à développer de nouveaux prototypes d’éoliennes sans pales (BWT) en démontrant clairement la conception la plus efficace pour les BWT.

« En supprimant une partie du travail d’essai et d’erreur impliqué dans l’affinement des prototypes, nous pourrions aider à rapprocher les BWT de devenir une partie plus utile de la boîte à outils du monde pour atteindre zéro émission nette grâce aux énergies renouvelables. »

– Professeur Sondipon Adhikari, École d’ingénierie James Watt

Selon Adhikari, les ingénieurs prévoient de continuer à affiner leur compréhension de la conception des BWT et de la façon dont ils peuvent mettre à l’échelle la technologie pour fournir de la puissance dans une large gamme d’applications.

Ils sont également « désireux » d’explorer des matériaux spécialement conçus appelés métamateriaux, qui sont finement réglés pour leur conférer des propriétés qui ne se trouvent pas dans la nature, en ce qui concerne la façon dont ils peuvent « améliorer l’efficacité des BWT dans les années à venir ».

Nouvelles conceptions et matériaux pour les BWT de nouvelle génération

Dans une autre étude², menée par des chercheurs de l’Université d’Alexandrie plus tôt cette année, deux nouveaux mécanismes ont été introduits pour concevoir des BWT pour répondre aux limitations opérationnelles des éoliennes sans pales, qui sont créées par le phénomène de verrouillage, les limitant à une petite plage près de la fréquence naturelle de la structure.

Les mécanismes introduits étaient le mécanisme de masse de réglage et le mécanisme de réglage élastique, permettant une opération sur une large gamme de vitesses de vent allant de 2 à 10 m/s.

Les résultats de l’étude révèlent également que l’utilisation de la masse équivalente de l’unité de mât et du moment d’inertie polaire à l’extrémité libre du faisceau cantilever est importante pour concevoir la turbine et s’assurer qu’elle répond aux conditions de verrouillage.

L’objectif de l’étude est de maintenir les performances idéales en contrôlant la fréquence naturelle de la turbine grâce à la mise en œuvre des mécanismes.

Un modèle mathématique a également été construit pour ajuster la fréquence naturelle pour correspondre à la fréquence d’élimination à la vitesse de vent spécifiée. La validation du modèle a montré une grande précision.

Le premier mécanisme peut réaliser une augmentation de 99,2 % de l’efficacité mécanique à 7 m/s, mais pour obtenir des valeurs de module de flexion ou de flexion plus élevées, le deuxième mécanisme doit être incorporé pour réduire la taille globale de la turbine. L’approche unifiée améliore l’efficacité de 55,7 %.

Outre les mécanismes de réglage, le choix de matériaux appropriés pour les composants flexibles de la turbine est crucial, selon l’étude, pour assurer une résistance et des performances adéquates, car ils affectent la rigidité globale de la structure. Cela influence ainsi la fréquence naturelle de la structure, ce qui affecte les performances de la BWT.

L’étude a rapporté que les fibres de carbone et de verre sont les meilleurs matériaux pour fabriquer les composants principaux des BWT.

Les propriétés mécaniques des matériaux composites, a noté l’étude, peuvent être contrôlées en modifiant les paramètres de fabrication, tels que le nombre de couches et leur orientation, ce qui permet de personnaliser la résistance, la rigidité et d’autres caractéristiques pour répondre à des exigences spécifiques pour différentes applications.

Alors que la technologie est encore à ses débuts et limitée à des environnements expérimentaux et de laboratoire, elle a également commencé à montrer des signes d’application dans le monde réel.

Plus tôt cette année, le groupe BMW a commencé des essais pour l’unité d’énergie éolienne sans pales. Le constructeur automobile allemand a installé l’unité d’énergie éolienne sans pales d’Aeromine Technologies à son usine de production MINI à Oxford.

Cette usine servira de site de test pour la technologie, impliquant l’évaluation du potentiel de l’unité pour améliorer l’efficacité énergétique dans les sites de l’entreprise à travers le monde et les complexes commerciaux au Royaume-Uni.

L’unité d’énergie éolienne d’Aeromine est installée sur le bord d’un bâtiment, orientée vers le vent. Les ailes verticales de l’unité, qui sont comme des ailes, créent un effet de vide, extrayant l’air derrière une hélice interne pour générer de l’électricité propre et verte.

« Notre technologie d’énergie éolienne « sans mouvement » est conçue pour fonctionner en parfaite harmonie avec les systèmes solaires, en maximisant la production d’énergie renouvelable à partir des toits tout en aidant à résoudre des défis tels que le bruit, les vibrations et l’impact sur la faune. Nous sommes ravis de voir comment cette installation initiale peut conduire à des applications plus larges dans les installations mondiales de BMW. »

– Claus Lønborg, directeur général d’Aeromine Technologies.

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Investir dans l’énergie éolienne

Dans le secteur de l’énergie éolienne, General Electric (GE ) est l’un des plus grands fabricants de turbines éoliennes via sa filiale GE Vernova (GEV ), une entreprise énergétique mondiale qui conçoit, fabrique et livre des technologies pour créer un système électrique durable. Ses segments incluent Power, avec un focus sur l’hydro, le gaz, la vapeur et le nucléaire ; Wind, impliquant les turbines éoliennes et les pales sur terre et en mer ; et Electrification, couvrant la conversion de puissance, les solutions de réseau, le solaire et les solutions de stockage.

L’entreprise a environ 120 gigawatts (GW) d’énergie installés dans sa flotte de 57 000 turbines éoliennes qui fonctionnent pendant plus de 4 milliards d’heures dans le monde.

GE Vernova (GEV )

Avec une capitalisation boursière de 132,9 milliards de dollars, les actions GEV sont actuellement cotées à 486 dollars, en hausse de plus de 48 % depuis le début de l’année. L’entreprise a un BPA (TTM) de 6,94 et un ratio cours/bénéfice (TTM) de 70,18, tandis que le rendement des dividendes offert est de 0,21 %.

En avril, l’entreprise a publié ses résultats financiers du premier trimestre 2025, qui ont révélé un chiffre d’affaires de 8 milliards de dollars, un bénéfice net de 0,3 milliard de dollars et 1,2 milliard de dollars de flux de trésorerie provenant des activités opérationnelles. GE Vernova a également enregistré une augmentation de 8 % des commandes à 10,2 milliards de dollars.

La balance de trésorerie à la fin du trimestre était de 8,1 milliards de dollars. Pendant ce temps, 1,3 milliard de dollars a été reversé aux actionnaires.

« Nous avons réalisé de solides résultats au premier trimestre et nos entreprises ont continué à bien exécuter. Nous avons augmenté notre carnet de commandes d’équipements et de services, amélioré de manière significative les marges dans chaque segment et rendons une quantité importante de capital aux actionnaires. Je suis enthousiaste pour ce qui est à venir, car nous ne sommes qu’au début du supercycle d’investissement dans l’électricité. »

– CEO Scott Strazik

L’activité éolienne de GE Vernova, cependant, a montré une performance mitigée, car elle est confrontée à des défis dans l’énergie éolienne en mer, tandis que l’activité éolienne sur terre enregistre une croissance.

En conséquence, la livraison sur terre a augmenté, soutenue par une amélioration des prix, tandis que ses opérations en mer ont connu une contraction. Mais même si le segment éolien est resté déficitaire, il montre des signes d’amélioration.

Les commandes du segment éolien de GE Vernova sont arrivées à 0,6 milliard de dollars, tandis que le chiffre d’affaires enregistré était de 1,8 milliard de dollars. L’entreprise a également investi plus de 100 millions de dollars pendant la période pour améliorer les performances de sa flotte.

Le mois dernier, GE Vernova a annoncé qu’elle utilise désormais le pouvoir de la robotique et de l’IA pour inspecter la qualité de chaque pale qu’elle fabrique, ainsi que la qualité des matières premières avant la modélisation et l’assemblage. À long terme, la capacité de qualité basée sur l’IA devrait améliorer la durée de vie des composants critiques et, par conséquent, la longévité des turbines.

Dernières actualités et développements sur GE Vernova (GEV)

Pensées finales : les éoliennes sans pales sont-elles l’avenir ?

Les turbines éoliennes conventionnelles sont essentielles pour la capture efficace de l’énergie éolienne, mais elles ont certains inconvénients graves, tels que des coûts initiaux élevés, une pollution sonore, un entretien régulier, des impacts visuels et environnementaux, des limitations de construction dans les zones urbaines et une exploitation efficiente uniquement à des vitesses de vent élevées.

Tous ces facteurs ont conduit au développement de technologies alternatives, les éoliennes sans pales (BWT) représentant un nouveau chapitre passionnant dans la technologie des énergies renouvelables.

Dans les BWT, le mouvement du vent génère des tourbillons, faisant osciller toute la structure, et lorsque le mouvement d’oscillation correspond à la fréquence de vibration naturelle de la structure, le mouvement est amplifié de manière spectaculaire. Ce mouvement ou vibration amplifié est ensuite converti en électricité. Bien que puissant, la technologie est encore à ses débuts.

Alors que les chercheurs optimisent les conceptions qui peuvent atteindre des rendements plus élevés et une solidité structurelle accrue, les BWT peuvent enfin devenir des ajouts précieux aux portefeuilles énergétiques.

À mesure que la demande d’énergie propre continue de croître et que la recherche en cours aide à mettre à l’échelle l’innovation en solutions commercialement viables, nous serons en mesure d’accélérer notre parcours vers un avenir à zéro émission nette.

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Études référencées :

1. Breen, J.; Mallik, W.; Adhikari, S. Performance Analysis and Geometric Optimization of Bladeless Wind Turbines Using Wake Oscillator Model. Renew. Energy 2025, 215, 123549. https://doi.org/10.1016/j.renene.2025.123549

2. Mohamed, Z.; Soliman, M.; Feteha, M.; et al. A Novel Optimal Design Approach for Bladeless Wind Turbines Considering Mechanical Properties of Composite Materials Used. Sci. Rep. 2025, 15, 1355. https://doi.org/10.1038/s41598-024-82385-9