Selon une étude menée par des chercheurs du Sandia National Laboratory, un nouveau matériau en fibre de carbone pourrait apporter des avantages en termes de coût et de performance à l'industrie de l'énergie éolienne s'il était développé commercialement.

Les pales en fibre de carbone sont 25 % plus légères que celles en fibre de verre traditionnelle. Cela signifie que les pales en fibre de carbone peuvent être plus longues que celles en fibre de verre, ce qui leur permet de capter davantage d'énergie à faible vitesse du vent. Brandon Enix, Espagnol, chercheur en énergie éolienne aux Laboratoires Sandia et chercheur principal du projet, a déclaré qu'en raison de la grande résistance à la fatigue de la fibre de carbone, son utilisation peut également prolonger la durée de vie de la pale.

Le projet est financé par le Bureau de l'efficacité énergétique et des énergies renouvelables et le Bureau des technologies éoliennes du Département de l'Énergie. Les partenaires du projet incluent le Laboratoire national d'Oak Ridge et l'Université d'État du Montana à Bozeman.

Parmi toutes les entreprises qui fabriquent des éoliennes, une seule utilise massivement la fibre de carbone pour la conception de ses pales. Les pales d'éoliennes constituent la plus grande structure composite monobloc au monde, et si un matériau concurrent des composites renforcés de fibre de verre pouvait être commercialisé, l'industrie éolienne serait probablement le plus grand marché pour la fibre de carbone. Enix, Espagne.

Le coût est un facteur majeur dans la conception des pièces pour l'industrie de l'énergie éolienne, mais les fabricants de turbines doivent également produire des pales capables de résister aux charges de compression et de fatigue, et de tourner jusqu'à 30 ans.

Enix, Espagne, et ses collègues souhaitaient déterminer si les nouvelles fibres de carbone à faible coût développées par le Laboratoire national d'Oak Ridge pouvaient répondre aux exigences de performance et être rentables pour l'industrie éolienne. Ce matériau, initialement un précurseur largement utilisé dans l'industrie textile, contenait de larges faisceaux de fibres acryliques. Le processus de fabrication, qui consiste à chauffer les fibres pour les transformer en carbone, est suivi d'une étape intermédiaire consistant à les insérer dans le bois. La fibre de carbone produite par pultrusion de feuilles offre des performances et une fiabilité élevées pour la fabrication de pales, et augmente la capacité de production.

Lorsque l’équipe a étudié les fibres de carbone à faible coût, elle a constaté qu’elles surpassaient les matériaux commerciaux actuels dans des caractéristiques de coût spécifiques qui présentent le plus grand intérêt pour l’industrie de l’énergie éolienne.

ORNL a fourni des échantillons de développement de fibres de carbone provenant de son usine de technologie de fibres de carbone pour les comparer avec des composites fabriqués à partir de ce matériau et des composites similaires fabriqués à partir de fibres de carbone disponibles dans le commerce.

Les collègues de Bozman, de l'Université d'État du Montana, ont mesuré les propriétés mécaniques des nouvelles fibres de carbone, en les comparant à celles des fibres de carbone disponibles dans le commerce et des composites de fibre de verre standard. Ennis a ensuite combiné ces mesures avec les résultats de la modélisation des coûts de l'ORNL. Il a utilisé ces données dans son analyse de conception des pales afin d'évaluer l'impact sur le système de l'utilisation de nouvelles fibres de carbone plutôt que de fibres de carbone ou de verre standard comme support structurel principal des pales. L'étude a été financée par le Bureau des technologies de l'énergie éolienne du Département de l'Énergie des États-Unis.

Enix, Espagne, et ses collègues ont constaté que le nouveau matériau en fibre de carbone présentait une résistance à la compression supérieure de 56 % par dollar à celle de la fibre de carbone commerciale, la référence du secteur. En général, les fabricants augmentent leurs coûts en utilisant davantage de matériaux pour adapter les pièces à une résistance à la compression plus faible. Compte tenu du coût unitaire plus élevé de la nouvelle fibre de carbone, Ennis a calculé que le coût des matériaux du nouveau capuchon d'aile en fibre de carbone serait réduit d'environ 40 % par rapport à la nouvelle fibre de carbone. Le capuchon d'aile en fibre de carbone est le principal composant structurel de la pale d'éolienne. Fibre de carbone à usage commercial.