Essais de givrage sur composants exposés à des basses températures dans la chambre climatique de l’OWI-Lab

Pour mener à bien leurs travaux de R&D portant sur le développement d’un nouveau système de dégivrage, les chercheurs de l’Université technique de Delft (Pays-Bas) ont mis à profit la chambre climatique de l’OWI-Lab pour réaliser des essais de givrage sur des composants exposés à des basses températures. Les résultats de ces essais vont aider les chercheurs dans le dévehloppement d’une technique de dégivrage basée sur des actionneurs plasma DBD-ns. 

Au vu de la tendance à installer des parcs d’éoliennes dans les régions à climat glacial, les chercheurs et ingénieurs se penchent sur des projets visant à optimaliser la fiabilité des installations soumises au grand froid, notamment pour remédier au problème de la formation de givre sur les pales de rotor. Dans la plupart des régions où le froid est rigoureux, les conditions sont excellentes pour l’exploitation de l’énergie éolienne (vitesse constante du vent, densité de l’air élevée, faible nébulosité); à cela s’ajoutent les nouvelles solutions technologiques permettant de répondre aux problèmes inhérents aux basses températures et à la formation de givre; il n’est donc pas surprenant que le marché de l’énergie éolienne s’intéresse de plus en plus aux zones climatiques froides. Le potentiel serait même équivalent à celui de l’actuel marché offshore.

Un parc d’éoliennes dans un climat polaire et un exemple de formation de givre sur une pale de rotor

IEA Wind: Task 19 - Wind Power in cold climates, un groupe de travail international d’experts en IEA R&D, qui se penche depuis 2002 sur le potentiel de l’énergie éolienne dans les régions froides, a fait un exposé lors de la conférence WinterWind 2014 sur ce marché relativement nouveau dans le secteur de l’énergie éolienne. En plus de l’étude de marché réalisée en 2012 sur une base installée de 60 GW pour l’énergie éolienne dans les régions froides, il a également été question d’un projet de 50 GW dans la période 2013-2017; il s’agit donc de projets en cours actuellement. Les auteurs du rapport ont souligné que le secteur avait pris conscience des problèmes techniques liés aux basses températures et de la demande croissante portant, en conséquence, sur des technologies 'dédiées' permettant d’éviter la formation de givre sur les pales de rotor (pour plus de détails, voir cette publication). 

Essais dans un climat froid

En 2012 l’OWI-lab, qui fait partie depuis l’année dernière de l’IEA Task 19, a mis en service une grande chambre climatique pour répondre aux besoins de l’industrie éolienne et permettre la réalisation d’essais de validation et de vérification portant sur du matériel destiné à fonctionner dans des environnements de froid extrême. L’infrastructure d’essai permet aux entreprises et instituts de recherche de mener des projets d’expérimentation et de validation, en simulant les conditions climatiques des régions polaires, mais également des régions tropicales, et les conditions d’exploitation offshore. Depuis sa date d’ouverture, la chambre climatique est utilisée par un grand nombre d’équipementiers et fabricants de composants : engrenages, onduleurs, transformateurs, nacelles d’entretien et autres systèmes et technologies liés aux éoliennes. 

Les essais à basses températures, surtout les essais de performances au démarrage à froid et les essais de vérification sur les machines et composants grands et lourds qui seront exposés au grand froid, sont devenus entretemps la spécialité de l’Owi-Lab.  

A gauche : boîte d’engrenage d’une éolienne 6,15 MW (essai de démarrage à froid). A droite : essai contrôlé de formation de givre (épaisseur 3 mm) dans la grande chambre climatique de l’OWI-Lab

De par ses grandes dimensions (10,6 m x 7 m x 8 m), de sa grande capacité de refroidissement et de son aptitude à faire chuter la température rapidement jusqu’à -60 °C, la chambre climatique est également très utile pour réaliser des essais de givrage. Il est possible ainsi de valider les prototypes de systèmes antigivre et systèmes de dégivrage, grâce à des appareils de production de givre installés dans la chambre climatique, ce qui permet de réaliser des expériences dans un environnement contrôlé. De cette manière, l’OWI-Lab a aidé les chercheurs de l’Université technique de Delft dans le développement d’un nouveau système de dégivrage électrothermique fondé sur un actuateur de plasma DBD de type nanoseconde, ayant un potentiel d’antigivrage et de dégivrage sur les pales de rotor (éoliennes, hélicoptères et ailes d’avions). Divers essais de R&D ont été réalisés l’année dernière dans la chambre climatique dans le cadre d’un projet de développement d’un prototype. 

Actionneurs de plasma DBD

Depuis quelques années, les actionneurs de plasma DBD font l’objet de diverses recherches au plan de l’aérodynamique, en raison de leurs propriétés spécifiques et des possibilités qu’ils offrent d’agir sur l’écoulement des flux. Les actionneurs de plasma DBD de type nanoseconde semblent être en mesure de provoquer un mécanisme ultrarapide d’échauffement du gaz. La littérature technique fait état des possibilités d’augmenter de plusieurs centaines de degrés la température du gaz juste au-dessus de l’actionneur. Pour trouver une application utile à ce mécanisme d’échauffement, des expériences ont été réalisées dans la chambre climatique de l’OWI-Lab, pour vérifier s’il serait possible de faire fondre le givre qui se dépose au-dessus des actionneurs de plasma DBD intégrés dans un équipement.

Actionneurs de plasma de type nanoseconde en action

Ce travail de recherche peut se révéler intéressant pour le développement de futurs systèmes de dégivrage fondés sur l’intégration d’actionneurs de plasma dans des surfaces aérodynamiques, par exemple, les pales de rotor d’éoliennes. Diverses configurations de matériel intégrant des actionneurs de plasma ont été testées dans la chambre climatique à une température de-20 °C, en présence d’un système de production de givre. L’énergie consommée pendant le procédé de dégivrage a été monitorée, de même que le processus de réchauffement de la surface, au moyen d’une caméra thermique. Les expériences ont montré que l’actionneur est en mesure de faire fondre une couche de plusieurs millimètres de givre en l’espace de quelques centaines de millisecondes. Cette vitesse et la faible consommation d’énergie sont des avantages très appréciables en comparaison avec les techniques de dégivrage actuelles. 

Selon le témoignage des chercheurs de la Technische Universiteit Delft : "Nous réalisons une campagne d’essais de trois jours dans le laboratoire OWI parce que ce type d’environnement d’essai contrôlé n’est pas disponible à l’université de Delft. Les essais réalisés nous ont permis de voir quels sont les aspects sur lesquels nous devons nous concentrer dans la poursuite de nos travaux de recherche portant sur le développement d’une technique de dégivrage fondée sur les actionneurs de plasma DBD de type ns."


L’Université technique Delft présente ses travaux de recherche et les résultats actuels sur cette nouvelle technique de dégivrage lors de la conférence Winterwind organisée en février 2016 à Åre (Suède).