Éoliennes sans pales: le futur de l’énergie propre

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

The researchers said:

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

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

En 2022, la taille du marché mondial des éoliennes sans pales était évaluée à environ $60.5 milliards et devrait dépasser $116 milliards d’ici 2030, stimulée par la demande croissante d’énergie renouvelable à l’échelle mondiale.

Contrairement aux éoliennes classiques, les éoliennes sans pales (BWT) 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 avantage majeur des BWT est qu’elles réduisent l’impact environnemental, notamment sur la faune. Pour les oiseaux, les turbines à pales augmentent le risque de collisions, les pales tournant rapidement pouvant apparaître comme un flou ou être totalement invisibles. Les turbines sans pales bougent beaucoup moins, permettant aux animaux comme les oiseaux de les éviter plus facilement. 

Le faible poids et le centre de gravité plus bas des BWT, quant à eux, réduisent le besoin de fondations, simplifiant ainsi l’installation des turbines sans pales.

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

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

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

Les sources d’énergie renouvelable comprennent 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 aussi pour atténuer le changement climatique. 

Parmi les sources d’énergie renouvelable, l’énergie éolienne est en forte croissance. En 2024, les renouvelables et le nucléaire ont fourni ensemble près de 41 % de la production mondiale d’électricité. Parmi les renouvelables, le solaire avait la plus grande contribution, suivi de la production éolienne, qui est passée à 8,1 % de l’électricité mondiale.

Selon l’Agence internationale de l’énergie (AIE), le solaire photovoltaïque et l’éolien devraient représenter 95 % de toutes les ajouts de capacité renouvelable d’ici 2030.

Pour exploiter l’énergie éolienne, on utilise généralement des éoliennes, qui convertissent l’énergie mécanique du vent en énergie électrique. Cependant, une façon alternative d’utiliser l’énergie du vent repose sur des conceptions de récupération d’énergie basées sur la vibration aérolélastique de structures flexibles. 

Au cours des deux dernières décennies, la récupération d’énergie aérolélastique a gagné beaucoup d’intérêt, en se concentrant particulièrement sur la vibration induite par vortex (VIV) de corps non profilés de forme cylindrique. La technologie VIV a suscité un intérêt considérable, entraînant de nombreuses modélisations numériques et recherches expérimentales.

La vibration induite par vortex est provoquée par le détachement alternatif des tourbillons de chaque côté des corps non profilés. Cela entraîne des forces de portance et de traînée régulières ainsi que de grandes oscillations transversales dans les structures. 

Lorsque la fréquence de détachement des vortex correspond à la fréquence naturelle de la structure, cela engendre un mouvement instable et des oscillations d’amplitude très élevée. Ce phénomène est connu sous le nom de phénomène de verrouillage (lock‑in).

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

Une BWT se comporte effectivement comme un corps non profilé placé dans un écoulement fluide qui crée des vortex en initiant la séparation du flux à sa surface. Ainsi, la BWT montre un énorme potentiel de production d’énergie dans une plage spécifique de vitesses de vent. Par conséquent, concevoir des turbines sans pales avec une amplitude d’oscillation plus importante peut augmenter leur production d’énergie ainsi que la plage de vitesses de vent opérationnelles simultanément.

Compte tenu du potentiel des BWT à extraire l’énergie renouvelable, des efforts sont faits pour exploiter la VIV afin de générer de l’électricité à petite échelle, de 1 à 100 W.

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

Étant donné que le vent n’est pas une ressource finie, il est important de déterminer si l’efficacité maximale conduit à une production maximale d’énergie des BWT.

Cependant, on ne sait pas encore si la puissance de sortie peut être augmentée pour une puissance d’entrée du vent constante. De plus, il y a une rareté de modèles d’interaction fluide‑structure des éoliennes sans pales, qui pourraient être utilisés facilement pour explorer les paramètres de ces turbines et obtenir des réponses sur leur efficacité. 

Ainsi, la dernière étude des chercheurs de l’Université de Glasgow vise à accélérer les initiatives en cours pour mettre à l’échelle les modèles BWT existants, actuellement à petite échelle, afin de les appliquer à plus grande échelle sur des sites offshore.

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

Les éoliennes sans pales peuvent-elles concurrencer les modèles traditionnels ?

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

Les éoliennes sans pales, ou BWT, fonctionnent selon un principe différent de celui des turbines à pales. Le principe central ici est la VIV, et au lieu de pales, ces turbines utilisent de grands mâts cylindriques, minces et élancés qui vibrent ou se balancent dans la brise. 

Afin de concevoir des éoliennes sans pales (BWT) avec une efficacité maximale, l’équipe de chercheurs de l’Université de Glasgow a exécuté des simulations de milliers de conceptions de BWT.

Cela leur a permis de trouver le point optimal qui maximise la production d’énergie sans affecter négativement la résistance de la structure. Selon le Dr Wrik Mallik, de la James Watt School of Engineering:

“Ce que cette étude montre pour la première fois, c’est que, contre‑intuitivement, la structure la plus efficace pour extraire l’énergie n’est pas en fait celle qui fournit la plus grande puissance. Au contraire, nous avons identifié le point médian idéal entre les variables de conception pour maximiser la capacité des BWT à générer de l’énergie tout en maintenant leur résistance structurelle.”

Les résultats de l’étude offrent un aperçu de la façon dont les dimensions du mât, y compris la largeur et la hauteur, influencent non seulement la quantité d’énergie produite mais aussi l’intégrité structurelle de ces turbines.

Cela a révélé un compromis qui n’était pas connu auparavant : augmenter le diamètre du mât améliore à la fois l’efficacité et l’extraction d’énergie, mais l’efficacité maximale de 6 % et la puissance maximale de 600 W sont atteintes grâce à des configurations géométriques distinctes.

Cependant, les configurations optimisées uniquement pour la puissance tendent à dépasser les limites de sécurité structurelle, tandis que celles qui maximisent l’efficacité offrent une production d’énergie sous‑optimale.

Ainsi, la conception idéale est un mât de 31,4 po (80 cm) de hauteur avec un diamètre de 25,4 po (65 cm), selon les résultats de l’étude publiés dans Renewable Energy.

Un tel équilibre optimal de puissance et de robustesse peut délivrer en toute sécurité une impressionnante puissance de 460 W, une performance supérieure aux prototypes réels actuels qui plafonnent autour de 100 W.

“À l’avenir, les BWT pourraient jouer un rôle inestimable dans la production d’énergie éolienne en milieu urbain, où les éoliennes conventionnelles sont moins utiles.”

– Dr Malik

Les résultats de l’étude peuvent jouer un rôle important pour garantir la sécurité de la structure dans des vents compris entre 20 et 70 mph. Selon les chercheurs, leur méthodologie pourrait permettre de mettre à l’échelle les éoliennes sans pales pour générer 1 000 W (1 kW) 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.

“Éliminer une partie de l’incertitude liée à l’affinement des prototypes pourrait aider à rapprocher les BWT d’une place plus utile dans la boîte à outils mondiale pour atteindre la neutralité carbone grâce aux renouvelables.” 

– Professeur Sondipon Adhikari, James Watt School of Engineering

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

Ils sont également « enthousiastes » à l’idée d’explorer des matériaux spécialement conçus appelés métamatériaux, finement réglés pour leur conférer des propriétés inexistantes dans la nature, afin de « renforcer l’efficacité des BWT dans les années à venir ».

Nouvelles conceptions et matériaux pour les BWT de prochaine 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 afin de pallier les limitations opérationnelles des éoliennes sans pales, créées par le phénomène de verrouillage, les limitant à une petite plage proche de la fréquence naturelle structurelle. 

Les mécanismes introduits étaient le mécanisme de masse d’accordage et le mécanisme d’accordage élastique, permettant un fonctionnement sur une large plage de vitesses de vent 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 de la poutre en porte-à-faux est importante pour concevoir la turbine et garantir qu’elle respecte les conditions de verrouillage.

L’objectif de l’étude est de maintenir la performance idéale 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 afin de correspondre à la fréquence de détachement à la vitesse de vent spécifiée. La validation du modèle a montré une grande précision. 

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

En plus des mécanismes d’accordage, le choix de matériaux adaptés pour les composants flexibles de la turbine est crucial, selon l’étude, afin d’assurer une résistance et des performances adéquates, car ils influencent la raideur globale de la structure. Ainsi, ils influencent la fréquence naturelle de la structure, ce qui, à son tour, affecte toutes les performances des BWT.

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

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

Bien que toujours à un stade très précoce de développement et limitées aux environnements expérimentaux et de laboratoire, la technologie commence également à montrer des signes d’application réelle.

Fin de l’année dernière, le groupe BMW a lancé 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 dans son usine de fabrication MINI à Oxford.

Cette usine servira de site d’essai pour la technologie, impliquant l’évaluation du potentiel de l’unité à améliorer l’efficacité énergétique dans les sites du groupe à travers le monde et les complexes d’affaires au Royaume‑Uni.

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

“Notre technologie d’énergie éolienne ‘immobile’ est conçue pour fonctionner en parfaite synergie avec les systèmes solaires, maximisant la production d’énergie renouvelable des toits tout en aidant à résoudre des défis tels que le bruit, les vibrations et l’impact sur la faune. Nous sommes enthousiastes à l’idée de voir comment cette première installation pourra 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.TO ) (GE ) est l’un des plus grands fabricants d’éoliennes via sa filiale GE Vernova (GEV ), une société énergétique mondiale qui conçoit, fabrique et fournit des technologies pour créer un système électrique durable. Ses segments comprennent Power, axé sur l’hydro, le gaz, la vapeur et le nucléaire ; Wind, englobant les éoliennes onshore et offshore ainsi que les pales ; et Electrification, couvrant la conversion d’énergie, les solutions de réseau, le solaire et le stockage.

L’entreprise possède environ 120 gigawatts (GW) d’énergie installée à travers sa flotte de 57 000 éoliennes qui fonctionnent 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 se négocient actuellement à 486 $, en hausse de plus de 48 % depuis le début de l’année. Elle affiche un BPA (TTM) de 6,94 et un PER (TTM) de 70,18, tandis que le rendement du dividende offert est de 0,21 %.

En avril, la société a publié ses résultats financiers du premier trimestre 2025, révélant 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 trésorerie provenant des activités opérationnelles. GE Vernova a également signalé une hausse de 8 % des commandes, atteignant 10,2 milliards de dollars.

Le solde de trésorerie à la fin du trimestre était de 8,1 milliards de dollars. Par ailleurs, 1,3 milliard de dollars ont été restitués aux actionnaires.

“Nous avons livré de solides résultats au premier trimestre et nos activités ont continué à bien s’exécuter. Nous avons augmenté notre carnet de commandes d’équipements et de services, amélioré de manière significative les marges dans chaque segment, et retournons une part importante de capital aux actionnaires. Je suis enthousiaste quant à l’avenir, 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, confrontée à des défis dans l’éolien offshore tandis que l’activité onshore enregistre une croissance.

En conséquence, les livraisons onshore ont augmenté, soutenues par une amélioration des prix, tandis que les opérations offshore ont connu une contraction. Mais bien que le segment éolien reste déficitaire, il montre des signes d’amélioration. 

Les commandes du secteur éolien de GE Vernova s’élèvent à 0,6 milliard de dollars, tandis que le chiffre d’affaires enregistré était de 1,8 milliard de dollars. La société a également investi plus de 100 millions de dollars pendant la période pour améliorer la performance de sa flotte.

Le mois dernier, GE Vernova a annoncé qu’elle exploite désormais la robotique et 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, cette capacité de contrôle qualité assistée par IA devrait améliorer la durée de vie des composants critiques et, par conséquent, la longévité des turbines.

Dernières nouvelles et développements des actions GE Vernova (GEV)

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

Les éoliennes conventionnelles sont essentielles pour capter efficacement l’énergie du vent, mais elles présentent des inconvénients sérieux et inhérents, tels que des coûts initiaux élevés, la pollution sonore, un entretien régulier, des impacts visuels et environnementaux, des limitations de construction en zones urbaines, et une efficacité opérationnelle uniquement à des vitesses de vent élevées.

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

Dans les BWT, le mouvement du vent génère des vortex, faisant osciller l’ensemble de la structure, et lorsque le mouvement d’oscillation correspond à la fréquence de vibration naturelle de la structure, le mouvement s’amplifie considérablement. Cette vibration renforcée est ensuite convertie en électricité. Bien que puissante, la technologie est encore à ses débuts.

Avec des chercheurs qui optimisent les conceptions pour atteindre des rendements plus élevés et une plus grande intégrité structurelle, les BWT peuvent enfin devenir des ajouts précieux aux portefeuilles énergétiques. 

Alors 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 pourrons accélérer notre chemin vers un avenir net‑zéro.

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Études référencées :

1. Breen, J.; Mallik, W.; Adhikari, S. Analyse de performance et optimisation géométrique des éoliennes sans pales à l’aide du modèle d’oscillateur de sillage. Renew. Energy 2025, 215, 123549. https://doi.org/10.1016/j.renene.2025.123549

2. Mohamed, Z.; Soliman, M.; Feteha, M.; et al. Une nouvelle approche de conception optimale pour les éoliennes sans pales en tenant compte des propriétés mécaniques des matériaux composites utilisés. Sci. Rep. 2025, 15, 1355. https://doi.org/10.1038/s41598-024-82385-9