Les éoliennes tueuses d’oiseaux pourraient être remplacées par des cerfs-volants géants de haute technologie – mais il y a un hic
N’importe quel enfant qui a déjà piloté un cerf-volant a appris la leçon : une fois que vous pouvez faire décoller le cerf-volant et le faire voler dans les airs, vous avez plus de chances de trouver une brise régulière pour le maintenir en l’air.
Une industrie éolienne naissante prend cette leçon à cœur. Volant des cerfs-volants massifs à 200 mètres ou plus au-dessus du sol, les entreprises utilisent le vent qu’elles y trouvent pour produire de l’électricité.
Au moins 10 entreprises en Europe et aux États-Unis développent des variantes de ce type de puissance de cerf-volant. S’ils réussissent, les cerfs-volants pourraient permettre de construire des parcs éoliens sur des terres qui ne sont pas assez venteuses pour les tours d’éoliennes conventionnelles. Les cerfs-volants pourraient également être un meilleur choix pour l’énergie éolienne offshore, et pourraient même un jour remplacer au moins certaines tours ancrées actuellement utilisées.
« C’est moins cher à fabriquer, moins cher à transporter et aussi plus efficace », déclare Florian Bauer, co-PDG et directeur technique de Kitekraft, une société basée à Munich qui développe un système d’alimentation pour cerf-volant. L’empreinte carbone est également beaucoup plus faible, dit-il. « Si vous avez tous ces avantages, pourquoi construirait-on une éolienne conventionnelle ? »
Mais pour devenir une source d’électricité répandue, l’énergie éolienne aéroportée, comme on l’appelle aussi, doit surmonter un certain nombre d’obstacles technologiques et commerciaux, comme Bauer et ses collègues le décrivent dans un article à paraître en 2022. Examen annuel des systèmes de contrôle, de robotique et autonomes. Et il devra démontrer qu’il est sûr, ne nuira pas à la faune et ne créera pas de nuisances sonores et visuelles intolérables pour les voisins.
À l’heure actuelle, la puissance du cerf-volant en est à ses balbutiements. La plupart des entreprises travaillent sur des projets pilotes relativement petits, et aucune n’a étendu sa technologie à la gamme des mégawatts qui les rendrait comparables aux éoliennes conventionnelles. Mais de petites versions sont déjà sur le marché.
En 2021, SkySails Power, basée à Hambourg, est devenue la première entreprise à proposer un produit commercial. Son modèle de production consiste en un cerf-volant souple et orientable d’une superficie allant jusqu’à 180 mètres carrés. Le cerf-volant est attaché par une longe de 800 mètres à une station au sol contenue dans un conteneur d’expédition.
En fonctionnement, le cerf-volant fait de grands huit gracieux dans le ciel et alimente un générateur au sol capable d’une puissance moyenne de 80 kilowatts – assez pour fournir de l’électricité à environ 60 ménages américains moyens. C’est petit par rapport à une éolienne typique de 2,75 mégawatts, mais sa taille est similaire à celle de nombreux générateurs diesel industriels portables. L’unité est conçue pour être utilisée dans des endroits éloignés du réseau électrique.
Finalement, les entreprises veulent construire des cerfs-volants plus grands capables de générer des mégawatts de puissance. Ils imaginent des centaines de cerfs-volants regroupés dans des parcs éoliens, fournissant de l’électricité au réseau.
Exploiter les vents rapides
Le vent près du sol a tendance à être ralenti par le frottement avec les arbres, les bâtiments et les collines, et le sol lui-même. Ainsi, plus vous montez, plus le vent peut voyager vite – à 500 mètres, la brise se déplace de 3 à 7 kilomètres par heure plus vite, en moyenne, qu’à 100 mètres. Au cours des dernières décennies, il y a eu un certain nombre de propositions pour tirer parti de ces vents plus rapides et plus élevés, notamment en envoyant des turbines sur les engins plus légers que l’air ou en les suspendant à des cerfs-volants stationnaires. Mais la plupart des entreprises, comme SkySails, poursuivent une approche qui utilise des cerfs-volants orientables et contrôlés par ordinateur qui volent dans les airs pour récolter plus d’énergie.
Les systèmes éoliens aéroportés utilisent deux méthodes de base pour produire de l’électricité. Les approches au sol, comme SkySails, utilisent la « puissance de pompage » pour faire fonctionner un générateur au sol. L’extrémité au sol de l’attache est enroulée autour d’un treuil, et lorsque le cerf-volant vole dans le vent, il tire contre l’attache et déroule le treuil, entraînant un générateur qui produit de l’électricité. Ensuite, le cerf-volant est autorisé à flotter pendant qu’il est remonté, et le cycle recommence.
L’autre approche consiste à générer de l’électricité à bord du cerf-volant. La génération embarquée utilise un cerf-volant rigide, semblable à une aile d’avion, qui supporte de petites éoliennes. Lorsque le cerf-volant vole, le vent fait tourner les turbines et l’électricité générée par l’engin est envoyée par l’attache à la station au sol.
Kitekraft, la société de Bauer, utilise la méthode embarquée, qui lui permet de faire un double usage des aubes de turbine. Lors du lancement et de l’atterrissage, les pales sont alimentées par un moteur et deviennent des hélices qui permettent au cerf-volant de voler et de planer comme un drone aéroporté. Une fois que le cerf-volant est à la bonne hauteur, les turbines passent à la production d’énergie à partir du vent.
Les cerfs-volants offrent un avantage potentiel par rapport aux tours à vent d’aujourd’hui en termes de matériau utilisé. Les tours d’éoliennes nécessitent des fondations en béton et des structures en acier juste pour maintenir les éoliennes à la bonne hauteur. Dans les systèmes basés sur le cerf-volant, les structures sont remplacées par une station au sol relativement petite et une attache légère. Une étude d’Airborne Wind Europe, une association professionnelle, a révélé qu’un parc de cerfs-volants de 50 mégawatts utiliserait 913 tonnes métriques de matériel sur une durée de vie de 20 ans, contre 2 868 tonnes métriques pour un parc éolien typique. L’utilisation de moins de matériaux pourrait rendre les systèmes basés sur le cerf-volant à la fois plus écologiques et moins chers à construire.
Les cerfs-volants peuvent également s’avérer utiles pour la production éolienne offshore en eau profonde. Aujourd’hui, lorsque l’eau est trop profonde pour construire une fondation, les éoliennes flottent plutôt sur des structures massives ressemblant à des barges qui doivent pouvoir supporter le poids des éoliennes et les maintenir stables. Parce que les cerfs-volants sont moins massifs, ils pourraient utiliser des barges plus légères et moins chères.
Les cerfs-volants offrent un avantage potentiel par rapport aux tours à vent d’aujourd’hui en termes de matériau utilisé.
Mais ces avantages se font au détriment de la complexité. Pour que les cerfs-volants aient un sens économique, ils doivent fonctionner pendant de longues périodes et avec peu ou pas de supervision humaine. Cela pose un problème de contrôle informatisé difficile, explique Chris Vermillion, directeur du laboratoire de contrôle et d’optimisation des énergies renouvelables et de l’efficacité énergétique à la North Carolina State University et conseiller de Windlift, une société de technologie de kite-power.
Les cerfs-volants ne flottent pas simplement passivement dans les airs. Au lieu de cela, ils utilisent l’aérodynamisme du cerf-volant pour voler des modèles de «vent de travers», un peu comme un bateau virant de bord en travers du vent. Volant perpendiculairement à la direction du vent, leurs ailes génèrent de la portance et tirent encore plus fort contre la longe. Cette portance supplémentaire se traduit par une vitesse supplémentaire, qui peut soit tirer sur l’attache avec plus de force pour une génération au sol, soit être transformée en une plus grande vitesse pour entraîner plus rapidement les turbines embarquées. Dans tous les cas, la puissance disponible augmente d’au moins un ordre de grandeur par rapport au vol sans mouvement de vent de travers.
Les cerfs-volants offrent un avantage potentiel par rapport aux tours à vent d’aujourd’hui en termes de matériau utilisé. Les tours d’éoliennes nécessitent des fondations en béton et des structures en acier juste pour maintenir les éoliennes à la bonne hauteur. Dans les systèmes basés sur le cerf-volant, les structures sont remplacées par une station au sol relativement petite et une attache légère. Une étude d’Airborne Wind Europe, une association professionnelle, a révélé qu’un parc de cerfs-volants de 50 mégawatts utiliserait 913 tonnes métriques de matériel sur une durée de vie de 20 ans, contre 2 868 tonnes métriques pour un parc éolien typique. L’utilisation de moins de matériaux pourrait rendre les systèmes basés sur le cerf-volant à la fois plus écologiques et moins chers à construire.
Les cerfs-volants peuvent également s’avérer utiles pour la production éolienne offshore en eau profonde. Aujourd’hui, lorsque l’eau est trop profonde pour construire une fondation, les éoliennes flottent plutôt sur des structures massives ressemblant à des barges qui doivent pouvoir supporter le poids des éoliennes et les maintenir stables. Parce que les cerfs-volants sont moins massifs, ils pourraient utiliser des barges plus légères et moins chères.
Mais ces avantages se font au détriment de la complexité. Pour que les cerfs-volants aient un sens économique, ils doivent fonctionner pendant de longues périodes et avec peu ou pas de supervision humaine. Cela pose un problème de contrôle informatisé difficile, explique Chris Vermillion, directeur du laboratoire de contrôle et d’optimisation des énergies renouvelables et de l’efficacité énergétique à la North Carolina State University et conseiller de Windlift, une société de technologie de kite-power.
Les cerfs-volants ne flottent pas simplement passivement dans les airs. Au lieu de cela, ils utilisent l’aérodynamisme du cerf-volant pour voler des modèles de «vent de travers», un peu comme un bateau virant de bord en travers du vent. Volant perpendiculairement à la direction du vent, leurs ailes génèrent de la portance et tirent encore plus fort contre la longe. Cette portance supplémentaire se traduit par une vitesse supplémentaire, qui peut soit tirer sur l’attache avec plus de force pour une génération au sol, soit être transformée en une plus grande vitesse pour entraîner plus rapidement les turbines embarquées. Dans tous les cas, la puissance disponible augmente d’au moins un ordre de grandeur par rapport au vol sans mouvement de vent de travers.
En envoyant un ensemble de minuscules éoliennes mobiles haut dans le ciel, la société d’énergie éolienne aéroportée Kitekraft génère de l’électricité à bord d’un avion rigide. Le cerf-volant alimente également son propre décollage et atterrissage. Encore à l’état de prototype, de tels cerfs-volants pourraient permettre de construire des parcs éoliens à plusieurs endroits ou d’alimenter des avant-postes éloignés. CRÉDIT : KITEKRAFT
Mise à l’échelle – et suppression
Le sort d’une entreprise appelée Makani est un récit édifiant. La société basée en Californie avait le soutien de la société mère de Google, Alphabet, et travaillait à produire de l’énergie à l’échelle du mégawatt. Mais en 2020, Alphabet a retiré son financement et l’entreprise a fermé ses portes.
Makani était un pionnier de la technologie mais a dû faire face à un certain nombre de problèmes, notamment des difficultés à contrôler les cerfs-volants et plusieurs accidents. Dans un rapport public, le PDG de Makani, Fort Felker, a déclaré que la société avait intentionnellement avancé rapidement, augmentant la taille de ses cerfs-volants par étapes importantes, souvent sans résoudre les problèmes technologiques antérieurs.
Bauer dit qu’en évoluant si rapidement sans résoudre les problèmes techniques en cours de route, l’entreprise s’est retrouvée avec une conception trop difficile et trop coûteuse à modifier. D’un autre côté, il est sympathique. Les entreprises qui mettent trop de temps à atteindre une taille commercialisable peuvent perdre le soutien de leurs investisseurs.
Un dernier obstacle sera de s’assurer que la technologie a des coûts sociaux et environnementaux acceptables. Les parcs éoliens conventionnels se heurtent souvent à l’opposition des résidents voisins qui s’inquiètent du bruit, de la distraction visuelle et de l’esthétique des éoliennes. Les partisans des fermes de cerf-volant s’attendent à ce qu’elles aient moins d’impact visuel et sonore que les tours éoliennes conventionnelles. Mais selon une analyse d’études publiées, il n’y a aucune preuve empirique que cela soit vrai. Bien que les cerfs-volants soient moins massifs que les tours, leurs mouvements de piqué et le bruit qu’ils font pourraient encore causer autant ou plus de perturbations que les tours conventionnelles, selon les auteurs.
« Je ne vois pas les systèmes éoliens aéroportés comme un remplacement pour la plupart des turbines conventionnelles existantes qui sont installées sur terre. »
On ne sait pas non plus quel impact les cerfs-volants auront sur les oiseaux, indique le rapport. Encore une fois, les défenseurs pensent qu’ils seront probablement plus sûrs pour les oiseaux que les éoliennes, car les cerfs-volants volent plus haut que les oiseaux ne le font généralement. Cependant, les attaches elles-mêmes se déplacent rapidement et sont difficiles à voir, et les oiseaux peuvent avoir du mal à les éviter.
On ne sait toujours pas dans quelle mesure l’énergie éolienne basée sur le cerf-volant deviendra largement utilisée. Des défenseurs comme Bauer sont convaincus qu’ils peuvent résoudre les problèmes d’ingénierie et de calcul pour rendre les cerfs-volants rentables.
Mais un rapport du Département américain de l’énergie de 2021 au Congrès a émis une mise en garde, qualifiant la puissance de cerf-volant de « technologie immature et non éprouvée qui nécessite un développement supplémentaire important avant de pouvoir être déployée à des échelles significatives au niveau national ». Le coût de l’électricité créée par les éoliennes conventionnelles a également continué de baisser, ce qui rend d’autant plus difficile pour les systèmes d’alimentation par cerf-volant de montrer qu’ils ont un avantage, selon le rapport.
« Je ne vois pas les systèmes d’énergie éolienne aéroportés comme un remplacement pour la plupart des turbines conventionnelles existantes qui sont installées sur terre », convient Vermillion. Mais il pense qu’ils trouveront un créneau au cours de la prochaine décennie dans les utilisations militaires et hors réseau, des applications potentielles que l’entreprise qu’il consulte répertorie parmi leurs cibles pour la puissance du cerf-volant. Et il pense qu’à un moment donné, ils pourraient être la technologie préférée pour les parcs éoliens en eau profonde, où leur légèreté leur donnera un gros avantage sur les turbines à tour.
Cet article est initialement paru dans Magazine connaissable, une entreprise journalistique indépendante d’Annual Reviews. Enregistrez-vous pour recevoir le bulletin d’informations.