Alimenter la transition des énergies renouvelables avec l’impression 3D : le vent

La série d’entretiens de l’industrie de l’impression 3D sur l’impression 3D et les énergies renouvelables se tourne vers la fabrication additive dans le secteur de l’énergie éolienne.

L’une des entreprises pionnières dans l’adoption de l’impression 3D dans ce domaine est GE Renewable Energy. “La fabrication additive a le potentiel d’apporter un changement radical dans la compétitivité des coûts et des performances dans l’industrie éolienne”, déclare Matteo Bellucci, responsable de la technologie de fabrication avancée de GE Renewable.

Bellucci partage les dernières mises à jour des efforts continus de GE pour améliorer l’efficacité et les performances des éoliennes grâce à l’impression 3D et discute des avantages de la technologie pour le secteur de l’énergie éolienne.

Les États-Unis ont vu l’énergie éolienne croître à un rythme record en 2020, les installations éoliennes terrestres dépassant celles de l’énergie solaire pour la première fois depuis plusieurs années. Le pipeline éolien offshore du pays a augmenté de 24% en 2020 par rapport à l’année précédente. Une autre tendance émergente notable implique un intérêt accru pour l’utilisation de l’éolien offshore pour produire de l’hydrogène propre.

Pour que l’Union européenne (UE) atteigne son objectif de 40 % d’énergies renouvelables d’ici 2026, elle devra installer 32 GW de nouveaux parcs éoliens par an d’ici là. Avec des installations éoliennes en Europe s’élevant à seulement 17,4 GW en 2021 en raison de problèmes de chaîne d’approvisionnement mondiale et de goulots d’étranglement, existe-t-il une opportunité en or pour que l’impression 3D augmente son adoption dans l’espace ?

L'éolienne offshore Haliade-X de GE.
L’éolienne offshore Haliade-X de GE. Photo via GE.

Améliorer la compétitivité de l’énergie éolienne grâce à l’impression 3D

En février 2021, GE s’est vu attribuer un projet de 6,7 millions de dollars par le Département américain de l’énergie (DoE) pour explorer la conception et la fabrication de pales d’éoliennes imprimées en 3D. En collaboration avec le Oak Ridge National Laboratory (ORNL) et le National Renewable Energy Laboratory (NREL), GE cherche à accroître la compétitivité de l’énergie éolienne terrestre et offshore en tirant parti de l’impression 3D pour réduire les coûts de fabrication et améliorer la flexibilité de la chaîne d’approvisionnement.

“Plusieurs concepts de conception et de processus, ainsi que de nouveaux matériaux thermoplastiques, ont été passés au crible, ce qui permet de mieux comprendre comment nous allons atteindre l’objectif d’utiliser l’impression 3D dans la fabrication de pales, ainsi que d’autres processus avancés, et un degré élevé d’automatisation. », explique Bellucci.

Il explique que les pointes d’aubes de turbine fabriquées à l’aide de l’impression 3D et de composites thermoplastiques auront plusieurs avantages, notamment être plus légères que leurs homologues fabriquées de manière conventionnelle. L’allègement permet aux rotors plus grands sur les turbines de générer plus de puissance tout en atténuant la pression sur l’ensemble de la turbine, en réduisant l’usure de ses boîtes de vitesses, de ses transmissions, de ses roulements et de ses fondations, et en réduisant les coûts de cycle de vie pour les opérateurs de turbines.

Les extrémités des pales thermoplastiques imprimées en 3D pourraient également être fondues et recyclées lorsqu’elles arrivent en fin de vie, un aspect essentiel du projet pour GE Renewable Energy. L’équipe étudie également quelles autres parties de l’aube de turbine pourraient bénéficier des technologies d’impression 3D et des matériaux thermoplastiques pour augmenter le délai de mise sur le marché, la qualité et la durabilité du composant.

Bellucci affirme que non seulement l’impression 3D apportera des avantages de compétitivité en termes de coûts et de performances au secteur éolien, mais que la technologie “aidera également GE Renewable à aider ses clients à conduire la transition énergétique plus loin et plus rapidement”.

En septembre, Fraunhofer IGCV et le fabricant de systèmes à jet de liant voxeljet ont annoncé qu’ils construiraient la « plus grande » imprimante 3D pour éoliennes à ce jour. Le système, connu sous le nom de “Advance Casting Cell” (ACC), est spécialement conçu pour imprimer les moules nécessaires à la coulée des pièces de la turbine offshore Haliade-X de GE, qui peuvent peser jusqu’à 60 tonnes chacune.

« Ce programme a débuté il y a seulement quelques mois et nous en sommes encore à la première phase de son développement conceptuel », explique Bellucci. “Comme nous en avons discuté lors de l’attribution du projet à la fin de l’année dernière, le projet vise à accélérer et à optimiser la production des principaux composants de coulée de la turbine offshore GE Haliade-X. Plus précisément, l’impression 3D offre la flexibilité nécessaire pour produire de grands composants de turbine à proximité de projets éoliens offshore, réduisant les coûts de transport et apportant des avantages environnementaux.

Bellucci dit que l’équipe du projet compile actuellement les détails des spécifications de l’imprimante, puis voxeljet commencera la phase de conception du projet, y compris la mécanique de la nouvelle imprimante.

Tour d'éolienne en béton imprimée en 3D.  Photo via GE.
Une tour d’éolienne en béton imprimée en 3D. Photo via GE.

Avantages de la FA pour l’énergie éolienne

Conformément à des objectifs ambitieux de réduction des émissions de gaz à effet de serre, l’énergie éolienne fait l’objet d’une attention croissante pour lutter contre la crise climatique mondiale. À cette fin, une quantité importante de recherches est en cours pour rendre les éoliennes elles-mêmes plus respectueuses de l’environnement.

Par exemple, le NREL a développé une méthode de fabrication de pales d’éoliennes avec impression 3D qui améliore leurs performances et leur recyclabilité en fin de vie, tandis que l’Université du Maine travaille sur un processus d’impression 3D de moules de pales de turbine respectueux de l’environnement soutenu par 2,8 $. millions de dollars de financement fédéral. Ailleurs, des ingénieurs de l’Université McGill et de l’Université Ryerson travaillent à la conversion des déchets de pales d’éoliennes en un nouveau matériau PLA imprimable en 3D pour les pièces renforcées de fibres.

En ce qui concerne GE, “la technologie d’impression 3D est déjà mature pour nous aider avec l’outillage pour les petits et grands composants, et le prototypage rapide avec un impact direct et immédiat sur l’efficacité de nos opérations d’usine”, déclare Bellucci. “Pour utiliser l’impression 3D directement dans nos produits, cela prendra encore du temps, mais le potentiel est très perturbateur, et nous explorons activement différents cas d’utilisation.”

En examinant l’ensemble du portefeuille d’énergie régénérative au-delà du simple éolien, Bellucci déclare que GE considère que tous les avantages traditionnels de l’impression 3D en fonction du cas d’utilisation sont pertinents. Ces avantages incluent le délai de mise sur le marché, l’impression 3D de moules pour les pièces moulées, des chaînes d’approvisionnement plus résilientes, locales et agiles, et une meilleure cohérence de la qualité, principalement grâce à la nature automatisée et numérisée de la technologie.

« De plus, l’impression 3D ouvre la porte à des conceptions plus efficaces qui peuvent être personnalisées en fonction d’emplacements et d’applications spécifiques », poursuit-il. “Par exemple, alors que la conception standard d’une éolienne sur un site donné peut nécessiter des tours de 90 mètres de haut, des analyses plus détaillées sur site peuvent montrer que dans une section spécifique des tours du parc éolien de 120 mètres de haut, plus de sens.

“Dans ce cas, nous pouvons imprimer en 3D des composants de tour de 30 mètres sur site pour les ajouter à la base standard existante de 90 mètres afin d’obtenir des performances optimales.”

Selon Bellucci, cette approche est plus durable que les pratiques existantes de deux manières. Non seulement cela maximiserait la quantité totale d’énergie propre et renouvelable pouvant être générée, mais cela réduirait également l’empreinte carbone du projet en réduisant le nombre de pièces devant être fabriquées et transportées sur de longues distances.

Le chercheur du NREL a un prototype de lame thermoplastique de 13 mètres.
Une partie du prototype de lame thermoplastique de 13 mètres des chercheurs du NREL. Photo via Ryan Beach, le NREL.

Accompagner la transition vers les énergies renouvelables grâce à l’impression 3D

Bellucci voit l’impression 3D aider GE Renewable Energy et le secteur de l’énergie au sens large à accélérer la transition vers une production d’énergie plus propre de plusieurs façons.

« Il s’agit généralement d’un processus de fabrication moins énergivore et qui génère moins de déchets », dit-il. « Par exemple, l’impression 3D permettra d’explorer de nouvelles pratiques de conception, en utilisant des outils comme l’optimisation de la topologie, qui est une approche de conception qui permet à nos ingénieurs d’expérimenter plusieurs conceptions pour trouver la solution la plus efficace et la plus rentable à un défi donné. En conséquence, nos équipes peuvent utiliser des pièces qui consomment moins d’énergie pour produire et créer moins de déchets.

Bellucci souligne également le potentiel de la technologie pour simplifier les processus d’assemblage de fabrication et la logistique, ce qui contribue à réduire l’empreinte carbone de l’entreprise.

« L’impression 3D peut nous permettre d’explorer des moyens d’améliorer la conception d’un composant donné en consolidant plusieurs composants différents en une seule pièce », explique-t-il. “Un assemblage mécanique qui aurait normalement de nombreuses pièces fabriquées en tant que composants séparés, puis rassemblés, peut être fabriqué de manière additive en une seule unité, les pièces étant imprimées et combinées même si la géométrie de l’unité combinée est très complexe.”

La fabrication additive permet à GE de réduire le nombre de pièces devant être conçues et fabriquées, simplifiant ainsi le processus d’assemblage et améliorant la durabilité et la fiabilité de ses produits. La consolidation contribue à un processus de désassemblage en fin de vie plus efficace qui améliore la récupérabilité et la circularité des matériaux de l’entreprise.

“L’impression 3D facilitera également l’intégration de matériaux recyclés et de flux de matériaux secondaires dans nos conceptions”, ajoute Bellucci. « Par exemple, nous explorons les moyens d’utiliser les matériaux qui seront produits lors du recyclage des pales des éoliennes mises hors service lorsque nous imprimons en 3D des tours pour de nouvelles éoliennes, en croisant efficacement deux partenariats prometteurs que nous avons avec Holcim.

“De même, nous explorons des moyens d’utiliser l’impression 3D en combinaison avec des matériaux thermoplastiques pour de nouvelles pales d’éoliennes avancées, soutenues par le DoD américain.”

Combinées, ces innovations d’impression 3D pourraient réduire considérablement la quantité de matériaux nécessaires à la production de nouvelles éoliennes. Selon Bellucci, de récentes analyses d’évaluation du cycle de vie (ACV) ont montré que ces processus de fabrication avancés pourraient potentiellement réduire les émissions de gaz à effet de serre jusqu’à 15 % lors de la fabrication de pièces moulées de grande taille au sommet d’une tour. L’ACV a également montré que les technologies de fabrication avancées pouvaient réduire les émissions de gaz à effet de serre jusqu’à 10 % lors de la fabrication des pointes d’aubes et de 25 % lors de la fabrication des hautes tours de turbine.

« À l’avenir, nous continuerons à collaborer avec nos clients et d’autres partenaires de l’industrie pour développer une technologie innovante qui contribue à accélérer la transition énergétique d’une manière qui soit cohérente avec notre objectif d’utiliser une conception circulaire durable pour maximiser les avantages environnementaux pour toutes les parties prenantes », Bellucci a conclu.

Aubes de turbine en direction du parc éolien offshore de Block Island.
Aubes de turbine en direction du parc éolien offshore de Block Island. Photo via LM Wind Power.

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L’image en vedette montre pales de turbine en direction du parc éolien offshore de Block Island. Photo via LM Wind Power.