Érosion du bord d’attaque : quand les précipitations détruisent les pales des éoliennes

L’érosion est partout autour de nous, depuis le cours sinueux des rivières et autres voies navigables, jusqu’à la formation progressive de canaux dans les montagnes les plus difficiles, et l’adoucissement des traits des statues. Pourtant, nous nous attendons généralement à ce que l’érosion due aux précipitations soit progressive et douce, prenant des décennies pour faire une différence notable. Cela prend bien sûr en compte les écoulements doux et le doux crépitement de la pluie sur la pierre, et non les aubes de turbine traversant l’air à plusieurs fois la vitesse terminale des gouttes de pluie pouvant atteindre 9 m/s.

Comme les éoliennes ont augmenté la taille et le diamètre de leurs pales, cela a sensiblement augmenté la vitesse, en particulier des extrémités des pales. Avec de plus en plus de pointes d’aubes d’éoliennes dépassant désormais des vitesses de 100 m/s, cela a également entraîné une augmentation significative de l’impact des gouttes de pluie, de la grêle et d’autres particules sur la durée de vie de ces aubes d’éoliennes. À titre de comparaison, 100 m/s équivaut à 360 km/h (224 mph), ce qui n’est que légèrement inférieur à la vitesse maximale d’une voiture de Formule 1.

L’effet de l’érosion du bord d’attaque des aubes de turbine (LEE) diminue non seulement l’efficacité aérodynamique, mais invite également à une défaillance prématurée. Au cours des dernières années, des revêtements spéciaux et des bandes de bord d’attaque ont été développés qui agissent comme des surfaces sacrificielles, mais comme les éoliennes ne cessent de grossir, l’effet de LEE augmente également. Au-delà du simple remplacement du ruban LE chaque année sur chaque éolienne, quelles autres options existe-t-il ?

Un problème croissant

Exemples d'érosion du bord d'attaque sur le terrain au cours d'une série d'années de service.  (Crédit : 3M)
Exemples d’érosion du bord d’attaque sur le terrain au cours d’une série d’années de service. (Crédit : 3M)

Bien que LEE ne soit pas un problème unique avec les pales d’éoliennes, elles se trouvent dans une position plutôt unique en ce sens que, contrairement aux pales d’hélice et aux pales de turbine des équipements industriels ou des moteurs à réaction, elles sont constamment exposées aux éléments. De plus, leur taille dépasse celle de ces autres lames, ce qui complique l’inspection et l’entretien.

Dans une revue de Keegan et al. (2013, PDF), un certain nombre de causes de LEE sont identifiées. Ceux-ci peuvent être regroupés dans les catégories suivantes :

  1. Gouttes de pluie.
  2. Grêle.
  3. Embruns marins.
  4. Sable et poussière.

À laquelle de celles-ci une éolienne spécifique est exposée dépend de l’endroit où elle est installée. Pour certaines éoliennes offshore, ces quatre éléments peuvent être un facteur, tandis que pour d’autres, seuls le sable ou la pluie peuvent être pertinents. Quoi qu’il en soit, le résultat reste largement le même. Avec l’impact d’une goutte de pluie ou de particules solides, le bord d’attaque de la pale subira un transfert d’énergie cinétique qui, avec le temps, affaiblira et érodera sa structure. Dans le cas d’une averse de pluie et d’une éolienne moderne, cela implique des impacts constants de gouttelettes de 0,5 mm à 5 mm de diamètre à environ 100 m/s.

Tracé du contour des contraintes de surface de Rayleigh au niveau du système de revêtement de bord d'attaque à différentes étapes de l'historique de la force de contact (Crédit : Verma et al., 2020)
Tracé du contour de contrainte de surface de Rayleigh au système de revêtement de bord d’attaque à différents stades de l’historique de la force de contact par une gouttelette. (Crédit : Verma et al., 2020)

Dans une étude de Verma et al. (2020) dans Ouvrages composites, la répartition de la force des gouttelettes de pluie pour les pales d’éoliennes offshore a été examinée. En utilisant une gamme de techniques de modélisation, il a été constaté qu’en réduisant la vitesse de pointe de la pale de plus de 100 m/s à environ 80 m/s, une grande partie des dommages causés par l’impact peut être évitée lors de fortes précipitations. À titre de comparaison, avec une vitesse de pointe de pale de 140 m/s, la force d’impact maximale s’est avérée être de 181 Newton, alors qu’à 80 m/s, elle a été réduite à moins de 70 N, soit une réduction d’environ 70 %.

Au fur et à mesure que les éoliennes augmentent en hauteur de moyeu et en longueur de pale de turbine correspondante, de telles vitesses extrêmes de pointe de pale peuvent devenir de plus en plus courantes, en particulier pour les éoliennes offshore qui ont tendance à être beaucoup plus grandes que leurs frères terrestres. En réduisant la vitesse des pales lors de fortes précipitations ou de tempêtes avec de fortes embruns en mettant partiellement les pales en drapeau ou en utilisant le système de freinage, au moins une partie des dommages LEE peut être évitée.

Entretien incontournable

Effets calculés des différents niveaux d'érosion du bord d'attaque sur la production d'énergie annuelle d'une éolienne de 1,5 MW.  (Crédit : 3M)
Effets calculés des différents niveaux d’érosion du bord d’attaque
sur la production annuelle d’énergie d’une éolienne de 1,5 MW. (Crédit : 3M)

Concrètement, l’effet du LEE est tel qu’il peut réduire de quelques pourcents la production d’une éolienne au bout d’un an à peine, même une légère piqûre affectant l’efficacité des aubes de la turbine en perturbant le flux d’air à sa surface. Le modèle général pour LEE en ce qui concerne les aubes de turbine et les hélices a été créé par GS Springer en 1976 en Érosion par impact liquide. Ce modèle utilise le principe du coup de bélier et fait l’objet d’un examen critique avec les améliorations suggérées par Hoksbergen et al. (2022) dans Matériaux.

Dans une étude de Law et al. (2020) les données des parcs éoliens à travers le Royaume-Uni ont été analysées. Il a été constaté qu’il fallait s’attendre à une perte moyenne de production par chaque éolienne par an d’environ 1,8 %, l’éolienne la plus touchée subissant des pertes de 4,9 %.

Le plus intéressant à propos de l’étude de Law et al. a été la découverte que l’application d’un ruban de réparation de bord d’attaque (protection de bord d’attaque, ou LEP) pour réparer les dommages LEE aux aubes de 3 ans d’une turbine a entraîné une baisse supplémentaire de 1,29% de la production. Cela montre à quel point la forme des aubes de turbine est importante pour obtenir les meilleures performances possibles et illustre le problème des réparations sur le terrain à l’aide de ruban LEP.

Bien qu’il y ait un argument à faire valoir que laisser le LEE continuer sans contrôle conduirait à des performances encore pires au fil du temps, il ne faut pas s’attendre à ce que l’application de ruban adhésif sur le bord d’attaque d’une aube de turbine endommagée lui rende son ancienne gloire. Major et al. (2020) signalent également une baisse de 2 % à 3 % de la production d’énergie annuelle (AEP) due à l’utilisation de la bande LEP.

Un article de 2019 dans Renewable and Sustainable Energy Reviews par Herring et al. élargit encore la complexité de la maintenance du champ des aubes de turbine. Si ce ruban n’est pas correctement appliqué, il peut se décoller, présenter des plis ou des poches d’air. Cet article aborde également la possibilité d’appliquer un bouclier anti-érosion métallique sur le bord d’attaque. Cela fournirait une bonne protection contre l’érosion, mais ajoute la complication d’une structure de lame hybride composite et métallique avec une rigidité différente.

Enfin, des recherches sont en cours (McGugan et al., 2020) sur l’ajout de capteurs aux pales d’éoliennes afin de surveiller les vibrations et d’autres paramètres pouvant indiquer des dommages à la pale, y compris des dommages LEE.

De minuscules gouttelettes, de grandes conséquences

En fin de compte, la réduction de LEE est une double victoire en termes de moins d’entretien de la lame nécessaire et d’une plus grande efficacité, mais la solution n’est en aucun cas simple. Même de petits changements tels que l’épaisseur du ruban LEP peuvent avoir de l’importance lorsqu’ils sont mis à l’échelle jusqu’à la taille d’une pale d’éolienne géante, avec des implications financières importantes dues à une efficacité moindre. À mesure que la vitesse de pointe des pales augmente avec des pales d’éoliennes toujours plus grandes, l’importance de développer de meilleures façons de protéger la surface de la pale augmente également.