projet d'innovation en bois, pale d'eolienne
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GONZALEZ Rodrigo
MOHABEER PADYA Avanish
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INNOVATION EN STRUCTURES ET
CONSTRUCTIONS BOIS
Projet Eolienne
Février – Mai 2016
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Projet éolienne 2
Sommaire
1 Introduction ............................................................................................................................................ 3
2 Cahier des charges ................................................................................................................................. 4
2.1 Présentation générale du problème ................................................................................................. 4
2.2 Environnement du produit .............................................................................................................. 5
3 Conception du produit ........................................................................................................................... 8
4 Méthode de modélisation et résultats .................................................................................................... 9
4.1 Modélisation du longeron ............................................................................................................... 9
4.2 Modélisation de la coque .............................................................................................................. 11
5 Assemblage .......................................................................................................................................... 15
5.1 Liaison avec le rotor ...................................................................................................................... 15
5.2 Assemblage ................................................................................................................................... 16
5.3 Revêtement.................................................................................................................................... 17
5.4 Impact environnemental ................................................................................................................ 17
6 Retour sur le cahier des charges .......................................................................................................... 18
6.1 Coût pale éolienne en bois: ........................................................................................................... 18
6.2 Durée de vie .................................................................................................................................. 18
6.3 Recyclabilité.................................................................................................................................. 18
6.4 Autres contraintes du cahier des charges ...................................................................................... 18
7 Conclusion ........................................................................................................................................... 19
8 Bibliographie ....................................................................................................................................... 20
8.1 Ouvrages ...................................................................................................................................... 20
8.2 Sites internet .................................................................................................................................. 20
8.3 Vidéos ........................................................................................................................................... 20
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1 Introduction
La récente volonté internationale de développer les énergies renouvelables a poussé la forte croissance
du marché éolien au cours des cinq dernières années. D’après les chiffres publiés par le Global Wind Energy
Council (GWEC), la capacité en énergie éolienne mondiale est passée d’environ 200 000 MW en 2010 à
plus de 430 000 MW en 2015. Cependant la part de marché de l’éolien reste très faible avec uniquement
2,4% de l’énergie totale produite dans le monde en 2013 selon l’Inventaire Observ’ER 2013. De plus, la
production d’électricité par la force du vent reste réservée aux pays développés. En effet, d’après le rapport
2015 du GWEC, 34% de la production mondiale d’énergie éolienne était en Europe, 41% en Asie, 21% en
Amérique du Nord, et uniquement 1% en Afrique. Cette répartition est très inégalitaire surtout lorsqu’on
prend en compte le fait que beaucoup de pays en voie de développement sont fortement exposés au vent,
ce qui représente un gros potentiel de production. Il est compréhensible que les installations actuelles sont
d’une technologie très avancée avec notamment l’utilisation des matériaux composites. Ces coûts de
fabrication et d’entretien sont la raison du manque d’accessibilités à l’éolien dans les pays en voie de
développement. Nous cherchons donc à proposer une solution de pale d’éolienne pour des vitesses de vents
très élevés et dont le coût serait moindre que l’existant. Pour ce faire, dans ce rapport nous présentons la
faisabilité d’un tel produit en utilisant des matériaux de type bois. Dans un premier temps, nous cadrons
l’étude avec un cahier des charges chiffrés. Ensuite nous présentons la conception du produit avec les
justifications des choix de dimensionnement. A partir de là nous proposons des moyens de fabrication avant
de faire un retour sur le cahier des charges pour étudier la viabilité du projet.
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2 Cahier des charges
2.1 Présentation générale du problème
2.1.1 Le contexte
a) les faits : situation actuelle
Les pales des éoliennes sont aujourd’hui principalement fabriquées à partir de matériaux
composites, mélanges de fibres de verre, de fibres de carbone, de résines polyester ou de résines
d’époxy.
b) les causes : les raisons des insatisfactions
Bien que les matériaux cités précédemment réussissent à allier légèreté et solidité, ils restent
néanmoins extrêmement coûteux. De plus, de par leur composition complexe, les pales sont
aujourd’hui la seule partie des éoliennes qui ne soit pas recyclages. En fin de cycle, elles rentrent
dans un processus d’incinération.
c) les buts : les enjeux recherchés à travers projet
Au cours de ce projet, nous souhaitons tout d’abord mettre en avant l’emploi du bois dans un
démarche de réduction de coûts et donc d'accessibilité à l’énergie éolienne. Nous souhaitons
également réduire l’impact de cette énergie renouvelable sur la planète en rendant les pales
recyclables.
2.1.2 Objectif et résultats attendus
L'objectif de ce projet est d’établir un modèle de pale qui réponde à la fois aux contraintes
d’utilisation (légèreté, résistance, taille) et qui soit réalisable en totalement ou en partie en bois. Nous
souhaitons ainsi nous rapprocher le plus possible des résultats que fournissent les matériaux composites en
matière de résistance et de légèreté tout en réduisant le coût de fabrication des pales.
2.1.3 Parties prenantes
Nous réaliserons ce projet en interne au département Génie Mécanique et Développement de l’INSA
de Lyon. Les ressources disponibles sont celles dont nous disposons au sein de l’école ainsi que de nos
professeurs référents.
2.1.4 Périmètre
Nous restreignons notre projet à l’étude d’une pale d’éolienne et à sa liaison avec le moyeu. Nous ne
traiterons pas des autres parties si ce n’est de l’influence qu’elles peuvent avoir sur les pales.
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2.1.5 Critères de choix des solutions
Afin d’élaborer une solution nous nous imposerons les critères suivants :
Résistance à la fatigue
Résistance aux vibrations
Résistance aux aléas climatiques
Légèreté
Cout de production
Mise en œuvre et usinage
Durée de vie
2.2 Environnement du produit
Dans cette partie nous détaillerons les éléments qui font partie de l'environnement du système grâce à
l’analyse fonctionnelle.
2.2.1 Analyse fonctionnelle
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2.2.2 Description fonctionnelle
Fonction Critère Niveau
Transformer la force du vent
en mouvement de rotation
du rotor (FP1)
Résister à des vents violents en
fonctionnement 90 km/h
Résister à des vents violents à
l’arrêt : plus forte rafale ayant lieu
une fois tous les 50 ans
(IEC61400 vents Classe I)
252 km/h
Chargement en vent sur la pale
Conditions météorologiques
(norme IEC61400 6.4)
Humidité relative maximale 95%
Gamme de températures extrêmes -20°C à +50°C
Radiation solaire 1000 W/m^2
Masse volumique de l’air 1,225 kg/m^3
Résister à la foudre Ne pas brûler
Champs électromagnétiques Interférences avec les champs de
télécommunications Ne pas perturber
Etre recyclable Taux de recyclabilité 50 %
Respecter le confort des
riverains
Les pales ne doivent pas générer
trop de nuisances sonores
(réglementation française)
5 dB(A) de jour
3 db(A) de nuit
Résister aux vibrations
Vitesse de rotation en entrée de
génératrice (après le
multiplicateur)
1800 tr/min (sur une base de
pale de 60 tr/min)
Résistance à la fatigue
mécanique
Coefficient de sécurité en
flambage 1.2 (norme IEC61400)
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Transmettre l’effort au rotor
(hub)
Liaison supportant la
concentration de contraintes Ne pas casser
Satisfaction de l’exploitant
Durée de vie 25 ans
Prix d’achat moins cher que
l’existant
Rotor blades=22.6% total cost
117000 USD
Production d’électricité 8100 kW
2.2.3 Coût
Au jour d’aujourd’hui, le prix des pales représente environ 22 % du prix totale d’une éolienne. Ce
coût très élevé provient principalement du fait que les materieux employés pour la construction de ces pales
font appel à des hautes technologies. Sur une éolienne de notre dimension, nous nous imposerons donc de
proposer un cout infèrieur à 22 % du coût de l’éolienne sur laquelle nous avons basé notre modèle, soit
infèrieur à 117 k$ par pale.
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3 Conception du produit
Afin d’avoir une base de travail sur la conception de la pale en bois, nous nous basons sur une éolienne du
Parc de Coat Conval (Nord-Ouest de la France) où le vent est très violent.
Nous pouvons donc définir les dimensions suivantes pour notre pale.
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4 Méthode de modélisation et résultats
4.1 Modélisation du longeron
4.1.1 Objectif
Le longeron sert à réaliser la raideur de la pale dans le sens longitudinal alors que la coque a une fonction
uniquement aérodynamique dans notre cas. On veut donc trouver le dimensionnement approprié pour
résister aux efforts appliqués.
4.1.2 Hypothèses de modélisation
● Modèle poutre encastrée-libre. On cherche la résistance à la flexion dans le sens longitudinal de la
pale. Ces efforts peuvent donc se ramener à la ligne neutre du
longeron.
○ Elément : BEAM188
● Poutre de section carrée creuse.
○ Dimensions extérieures 1*1m.
○ Dimensions intérieures 0.3m
Cette poutre peut être modélisée en utilisant une section en I
● Dimensionnement pour le pire cas de chargement.
○ Force ponctuelle en bout de pale
■ 90 km/h en bout de pale => énergie cinétique du vent transformée en force
F=12*a*Vv2*Cf * S avec a=1.25 kg/m^3, Vv=90km/h=25m/s, Cf=1, S=70m^2
donc F=27343N on prend F=30000N
4.1.3 Processus de modélisation
● Première approximation du matériau
○ Définition propriétés mécaniques (raideur)
○ Approximation des dimensions
● Résolution du modèle
● Boucle itérative sur matériaux et dimensions
4.1.4 1er Choix matériau: épicéa commun
On a sélectionné différentes propriétés matériaux qui nous
intéressaient, à savoir la masse volumique et le module
d’Young. Nous avons donc fait le premier choix de
matériaux en utilisant cette courbe caractéristique obtenu
grâce au logiciel CES EduPack.
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Prix (EUR/Kg) 0.502 1
Masse volumique Kg/m^3 460 560
Module d’Young L (GPa) 14.3 17.4
Coeff de Poisson L 0.35 0.4
Module de cisaillement L (GPa) 1.06 1.29
Module d’Young T (GPa) 0.8 0.89
Coeff de Poisson T 0.02 0.04
Module de cisaillement T (GPa) 0.083 0.113
La contrainte maximale se situe à l’encastrement et a une valeur de 4 MPa ce qui est inférieur à la limite à
la rupture du matériau qui est estimée à 78 MPa (CIRAD)
4.1.5 2ème choix matériau : lamellé-collé
Prix (EUR/Kg) 1.32 1.97
Masse volumique Kg/m^3 500 650
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Module d’Young L (GPa) 12 14
Coeff de Poisson L 0.25 0.3
Module de cisaillement L (GPa) 1 2
La contrainte maximale se situe à l’encastrement et a une valeur de 4 MPa ce qui est inférieur à la limite à
la rupture du matériau estimé à 14 MPa.
4.1.6 Solution retenue
Nous constatons que les deux solutions donnent des contraintes maximales semblables. En terme de
résistance ces deux solutions sont donc équivalentes. Pour choisir la meilleure solution, il faut considérer
le coût et la facilité de mise en oeuvre. Nous constatons que l’épice coûte un peu moins de deux fois moins
cher que le lamellé-collé. Cependant en cherchant dans les catalogues de fournisseurs, nous constatons qu’il
existe beaucoup de poutres en lamellé-collé à base d’épicea sur le marché. En se basant sur le prix massique
du lamellé-collé, nous pouvons estimer le prix d’une telle poutre à 12 000 euros.
4.2 Modélisation de la coque Pour réaliser la modélisation de la coque de notre pale, nous pouvons jouer sur deux paramètres : le matériau
et l’épaisseur. Le matériau est testé de manière itérative parmi le groupe de matériaux que nous avons pu
mettre en avant précédemment grâce au logiciel CES. L'épaisseur est quant à elle définie au cours d’un
processus incrémental basé sur l’observation des résultats de notre modélisation.
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Notre modélisation est réalisée en éléments finis avec le logiciel ANSYS. Nous modélisons le profil (S809
dont les coordonnées sont obtenues sur internet) de la section de la pale puis nous cherchons son épaisseur.
Nous réalisons d’abord l’essai pour une largeur de 5 m car c’est à cet endroit qu’il y aura le plus de
sollicitations.
Après un processus itératif, nous en venons à choisir comme matériau l’épicéa qui possède différentes
propriétés en fonction de la direction des fibres. Les propriétés de l’épicéa longitudinal et tangentiel sont
les suivantes.
Prix (EUR/Kg) 0.502 1
Masse volumique Kg/m^3 460 560
Module d’Young L (GPa) 14.3 17.4
Coeff de Poisson L 0.35 0.4
Module de cisaillement L (GPa) 1.06 1.29
Module d’Young T (GPa) 0.8 0.89
Coeff de Poisson T 0.02 0.04
Module de cisaillement T (GPa) 0.083 0.113
Nous choisissons une profondeur unitaire (1 m) pour travailler de façon linéique et une épaisseur de la
coque de 1 cm. Au niveau des conditions aux limites, nous imposons un déplacement nul au niveau des
sections qui sont en contact avec le longeron (encastrement avec celui-ci explicité dans dans la partie
suivante).
Nous imposons également une pression proportionnelle à l'effort du vent qui a une vitesse maximale de 90
km/h. Ainsi :
avec ρ la masse volumique de l’air (ρ= 1.25kg/m3) et v la vitesse du vent en m/s (v=90km/h).
Voici le modèle que nous obtenons :
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Nous n’oublions pas d’ajouter l'effet correspondant au poids propre de la coque pour une masse
volumique d'épicéa de 600 kg/m3. Nous obtenons alors les résultats de contraintes suivants :
● Contrainte dans la direction longitudinale x :
Nous obtenons donc une contrainte longitudinale maximale selon x de 68 MPa, ce qui est inférieur à la
contrainte à la rupture de l’épicéa de 75 MPa (en longitudinal)
En ce qui concerne les contraintes tangentielles, nous obtenons une valeur maximale de 1.55 MPa
(inférieure aux 3 MPa de la contrainte à la rupture en tangentiel) en ne prenant pas en compte la
concentration de contrainte dans le coin droit de la pièce dûe à la simplification du modèle.
Ainsi, nous sommes en mesure d’affirmer que pour une épaisseur de coque de 1 cm nous resterons bien
aux dessous des contraintes nécessaires à la rupture avec le matériau utilisé.
Si on se penche à présent sur les déplacements générés sur le profil, nous observons un maximum de
déplacement de 14 cm au niveau de l’arrière de la géométrie (par rapport au bord d’attaque du vent). Ce
résultat nous semble plutôt cohérent sachant qu’il reste faible devant la largeur de la coque (5m à
l’horizontale).
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La modélisation que nous venons de réaliser nous permet donc de retenir l’utilisation de l’épicéa
pour réaliser la coque de notre pale. D’un point de vue économique nous observons que le prix moyen de
ce matériau est de 0.7 €/kg. Ainsi pour un volume correspondant à celui de notre pale d’une longueur de
22m, une épaisseur de 1 cm, une largeur estimée de 2*5m (𝑉 = 22 ∗ 2 ∗ 5 ∗ 0.01 = 2.2 𝑚3), et une masse
volumique de 600kg/m3 le prix de la matière première s’élève donc à 925 €.
La mise en forme du profil se réalise grâce à un procédé de cintrage qui va diminuer le module
d’élasticité en augmentant le taux d’humidité du matériau. L’épicéa est un matériau qui convient à ce
procédé de par sa bonne orientation des fibres et sa rareté de défauts, indispensable à la déformation
plastique.
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5 Assemblage
5.1 Liaison avec le rotor La liaison avec le rotor ne peut pas s’effectuer par un encastrement
car on souhaite, comme sur les éoliennes actuelles, avoir le contrôle de
l’orientation axiale des pales. En effet, cela permet d’adapter la puissance
fournie par l'éolienne à la puissance appelée par les consommateurs et
permet également la mise en drapeau (orientation parallèle au vent) dans
le cas de forts vents pour éviter tout dommage.
Pour cela, nous créons une pièce intermédiaire entre la pale et le rotor,
pièce qui peut être commandée en rotation depuis le rotor. La solution que nous avons retenue consiste à
venir encastrer la poutre en I ainsi que la coque par une liaison boulonnée sur une pièce en acier. La coque
vient s’insérer dans une gorge alors que la poutre vient s’insérer dans une partie plus élancée. La pièce en
acier est elle-même vissée sur la partie mobile du rotor (partie mobile dont on voit dépasser les fixations
sur la photo ci-contre). Cette solution présente l’avantage de pouvoir réaliser l’assemblage de la pale avec
la pièce en acier au sol avant d’être montée par une grue pour la relier au rotor.
La partie la plus élancée de cette pièce en acier a fait l’objet d’une modélisation complète sous le logiciel
ANSYS. Il est vrai que son importance est capitale puisqu’elle va récupérer la totalité des efforts générés
par le vent sur la poutre en I. Après avoir généré un profil intérieur en I qui vient épouser la forme de la
poutre, la difficulté à été de définir la longueur ainsi que l’épaisseur du profil. En ce qui concerne le
chargement, nous appliquons des conditions de déplacement nul sur toute une extrémité de la géométrie et
un chargement variable le long des profils 1, 2 et 3. Après plusieurs essais, nous arrivons à la conclusion
que notre structure doit posséder une épaisseur au moins égale à 5 cm et une longueur supérieure à 2 m.
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Cependant même dans ces conditions nous devons
employer en acier de classe supérieure dont la limite
élastique dépasse les 300 MPa. Bien entendu nous
pourrions tenter d'allonger encore plus cette partie en
acier pour réduire les contraintes générées, cependant il
entre alors en compte le facteur de l’assemblage de la
pale que nous explicitons par la suite. Ainsi en tentant
d’allonger cette structure, nous compromettrions la
résistance de la fixation entre la coque de la pale et la
poutre en I.
5.2 Assemblage Nous allons donc à présent détailler les différentes étapes de
l’assemblage de notre pale. Comme nous l’avons évoqué
précédemment, l’assemblage commence par la réalisation de
l’encastrement de la poutre en I avec la pièce en acier. Cet
encastrement est réalisé par vissage de la poutre dans la partie
avancée de la pièce en acier (1). Une fois cette liaison réalisée, la
première partie de la coque va être “glissée” le long de la poutre
jusqu’à la gorge de la pièce en acier (2). L’assemblage avec cette
pièce se fera également par vissage grâce au nombreux pas de vis
prévus à cet effet. La liaison entre la coque et la poutre sera elle
réalisée par un vissage extérieur (on vient percer la coque depuis l’extérieur jusqu’à atteindre la poutre en
I). On va ensuite venir “glisser” la seconde partie de la coque. Celle-ci sera fixée à la première à l’aide
d’une charnière plate et à nouveau vissée à la poutre en I. Un joint de dilatation sera également mis en place
pour assurer l’étanchéité de la pale. On répète ainsi l’opération jusqu’à la dernière partie de la coque.
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5.3 Revêtement Les conditions d’emploi du bois dans notre situation nous imposent de protéger ce matériau sans
quoi sa durée de vie serait largement altérée. En effet, de nombreux phénomènes naturels rentrent en jeu
lors de l’utilisation d’une éolienne (pluies à PH non neutre, transport de particules solides fines par le vent,
températures, etc.). Après de nombreuses recherches, nous avons trouvé différents revêtements qui
semblaient intéressants mais n’étaient cependant pas applicables à notre cas d’étude car peu adhésif au bois.
Nous avons donc choisi de revêtir la pale d’un tissu à base de polyuréthane qui lui confère ainsi une
protection contre toute attaque extérieure.
On peut noter que notre étude se restreint ici à l’emploi des pales dans un milieu terrestre. Si nous
envisagions un emploi off-shore il faudrait alors revoir le type de revêtement employé pour répondre à la
problématique de corrosion.
5.4 Impact environnemental Il est vrai qu’un de nos critères initiaux était le fait que notre pale ait un faible impact
environnemental. En effet, après quelques recherches et non sans surprise, nous avions découvert qu’au
jour d’aujourd’hui la seule partie d’une éolienne qui reste très peu voire pas du tout recyclable est la pale.
Cela provient de sa composition complexe qui allie materiaux composites et fibres de verres. Avec notre
structure en bois nous diminuons très largement l’impact environnemental d’une pale. En effet les seuls
matériaux utilisés sont le bois (lamellé collé d’épicéa), l’acier (pour le pièce de liaison avec le rotor et les
vis) et le polyuréthance. On peut bien entendu nuancer nos propos par le fait que le polyuréthane du
revêtement reste peu recyclable et que la présence de colle dans le lamellé collé restreint quelque peu son
utilisation après recyclage. Cependant nous remplissions notre objectif dans le sens où le taux de
recyclabilité générale de la pale a largement augmenté.
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6 Retour sur le cahier des charges
Au cours de cette étude nous avons eu l’occasion d’étudier la fiabilité mécanique d’une pale
d’éolienne en bois. Nous avons également tenté d’estimer le coût d’un tel produit.
6.1 Coût pale éolienne en bois: Après de nombreuses recherches sur les coûts de la matière première ainsi que les coûts de
production, nous sommes arrivés aux résultats suivants :
Item Prix (euros)
Poutre longeron de 22m 12000
Matériaux bois pour coque 925
Mise en forme de la coque 8000
Liaison avec le rotor 7000
Visserie 1000
Revêtement + joint 5000
Total 33925
Nous constatons donc que nous remplissons notre objectif dans le sens ou le prix que nous proposons
pour la fabrication de cette pale est près de 3 fois inférieur au prix d’une pale équivalente en matériaux
composites.
6.2 Durée de vie La détermination de la durée de vie de notre produit dans le cadre de ce projet est un sujet délicat
puisque nous ne possédons pas toutes les notions et ressources pour la déterminée. Nous sommes néanmoins
en mesure d’affirmer que grâce aux dimensionnements que nous avons pu réaliser grâce à la modélisation
en plus de notre choix de revêtement, notre pale répondra au cahier des charges pendant au moins 20 ans.
6.3 Recyclabilité Notre produit final rempli notre critère initial de recyclabilité que nous avions fixé à 50 %. En effet, comme
nous avons pu l’exposer précédemment, l'utilisation du bois est majoritaire dans notre solution. Les
solutions sont donc nombreuses pour donner une seconde vie à ce matériau.
6.4 Autres contraintes du cahier des charges Nous n’avons pas étudié le comportement aérodynamique de notre pale. Nous ne sommes donc pas
en mesure de quantifier les autres contraintes du cahier des charges tel que les vibrations et le bruit généré.
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7 Conclusion
Ce projet a été pour nous l’occasion de mener une étude depuis la modélisation d’un produit jusqu’à
sa simulation de fabrication. Ce projet présentait de nombreuses contraintes dans le sens où nous devions
récréer un produit déjà existant avec un matériau différent : le bois. La faisabilité de la solution que nous
proposons a donc été testée pour de nombreux aspects : choix de bois, dimensionnement, mise en forme…
Au terme de cette étude, nous sommes en mesure d’affirmer que notre solution présente un fort
potentiel de faisabilité. Il est vrai que le bois possède des caractéristiques très intéressantes dans notre cas
d’étude. Nos connaissances en la matière étant cependant limitées, quelques points restent à discuter comme
la durée de vie de la solution que nous proposons.
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8 Bibliographie
8.1 Ouvrages :
● Riolet Emmanuel. Le mini-éolien. 7ème éd. Paris : Eyrolles, impr. 2010, 1 vol. (VII-135 p.)
● Hoisnard Lucette. L’éolien pour le particulier. Ingersheim : Ed. Saep, DL 2009, 1 vol. (80 p.)
● International Electrotechnical Commission. IEC 61400-1:2005 Wind turbines - Part 1: Design
requirements. Ed. 3.0. (176 p.)
Jacques Juan. Travail mécanique du bois. 2010. Ed. Techniques Ingénieur.
José-Félix Funes Ruiz. Analyse simplifiée de la réponse structurelle d’une pale d’aérogénérateur.
2009. Université Carlos III de Madrid. 245p.
8.2 Sites internet :
● Global Wind Energy Council : www.gwec.net
● Rapport de Développement Durable EDF 2013 : www.rapport-dd-2013.edf.com/
● Parc Eolien de Coat Conval : www.thewindpower.net/windfarm_fr_591_coat-conval.php
● Revêtements :
http://solutions.3mfrance.fr/3MContentRetrievalAPI/
http://www.duromar.com/product-finder/wind-energy-solutions
http://www.hempel.com/en/product-list/product-search-results
● Matériau : http://www.bois.com/construire/bois-materiau/bois-lamelle
8.3 Vidéos :
● Modélisation de l’orientation des pales : https://www.youtube.com/watch?v=YSs4gNiB-Lk