01/387 – Mât d’éolienne léger

Il y a actuellement un certain paradoxe à vouloir produire de l’énergie « verte » à l’aide d’éoliennes, vu la grande quantité de matériaux utilisés pour la construction de leurs mâts et fondations, de même que le lourd équipement nécessaire pour accueillir les turbines.

Les mâts et fondations se composent typiquement d’une large et lourde structure tubulaire en acier, reposant sur une épaisse dalle en béton, elle-même parfois supportée par un grand nombre de pieux. La pollution du sol due à cette importante quantité de béton coulé sur place constitue à son tour un problème du point de vue écologique. Enfin, l’aspect massif du mât rend sa présence imposante impropre à certains sites.

Samyn and Partners a été mandaté par le groupe Fabricom, l’un des plus importants groupes belges, impliqué entre autres dans l’industrie électromécanique avec une grande expérience dans les domaines du transport de puissance et de la fabrication de pylônes, pour développer un mât d’éolienne plus léger et écologique, ainsi que les fondations correspondantes.

À l’aide de la méthode de l’indicateur de volume, développée par le Dr Ir Ph. Samyn, il a été possible de démontrer qu’une configuration très légère, plus légère même qu’un mât haubané traditionnel, peut être obtenue en soutenant le mât juste sous les pales avec trois câbles disposés en étoile à 120° et écartés du mât par trois butons horizontaux. Les câbles relient le mât aux extrémités des butons à 45°, puis filent verticalement vers le sol. Alternativement, pour augmenter la résistance à la torsion, chaque paire de câbles peut joindre des points diamétralement opposés sur le grand diamètre du mât à l’extrémité des butons et continuer vers le sol dans une configuration en tréteaux. Dans chaque configuration, trois câbles additionnels relient le point de connexion des butons au mât, diagonalement dans un plan vertical, avec les points d’ancrage dans le sol des trois câbles verticaux susmentionnés.

Cette morphologie permet en outre de lever le mât verticalement après l’avoir équipé de sa turbine et de ses pales au sol, en utilisant les propres câbles du mât pour le soulever. Il n’est ainsi plus nécessaire de recourir à un lourd équipement de levage, ce qui permet d’implanter des éoliennes également dans des sites reculés.

Avec une section quasiment articulée au niveau des butons, un mât en acier de 100 m de haut peut être composé de deux sections coniques opposées, avec un diamètre maximal de 3 m et minimal de 1 m, au sommet d’un mât cylindrique de 1 m de diamètre, reposant sur une base conique de 6 m de diamètre qui accueille l’équipement électrique. La section minimum de 1 m de diamètre ne peut être réduite car elle doit contenir les câbles provenant du générateur ainsi que l’échelle et sa zone de passage. Le mât peut dès lors reposer sur un nombre limité de pieux préfabriqués en béton précontraint, et les câbles peuvent être ancrés dans des disques en béton composés de segments radiaux, chargés par le sol. Pour une éolienne de 1,5 MW et 100 m de haut, le poids du mât peut être réduit de moitié et ses fondations aisément enlevées.

La raideur, et donc les fréquences propres de ces structures sont comparables à celles d’un mât classique.

Des schémas alternatifs ont été développés, comme celui montré ici, où les câbles reviennent à la base du mât. Dans ce cas, il n’y a pratiquement plus d’économie sur les fondations, mais un gain sur le poids du mât est encore obtenu. Cette alternative peut convenir pour des éoliennes flottantes ‘offshore’.

Le système peut également être utilisé pour rehausser et pour augmenter la puissance de turbine d’éoliennes existantes en réutilisant leur mât en compression pure, le soulageant ainsi de la fatigue induite par les efforts de flexion, ainsi qu’en réutilisant leurs fondations.

Cette étude est menée pour le compte du groupe Fabricom qui introduit le 2004-04-16 une demande de brevet international PCT mais qui la retire ensuite devant le manque d’intérêt du marché.

La société nationale italienne d’énergie électrique, ENEL, en collaboration avec Legambiente, a organisé en 2001 un concours international d’idées pour la réalisation de deux parcs d’éolienne dans le sud d’Italie (Cinisi, Sicilia et Pescopagano, Basilicata).

Au lieu de 15 petites turbines de 0,8 MW prévues par le maître de l’ouvrage, le projet propose 5 turbines de 2,5 MW sur haut mâts.

Le projet de Samyn and Partners a été sélectionné parmi les projets présentés à Rome au cours de congrès “Paesaggi del vento” du 2002-06-27.

Un prototype pour une tour de 62,5 m avec une turbine Jeumont J48 750 kW a été certifié IEC Type Classe II_A par le Germanischer Lloyd WindEnergie GmbH. Rapport n° 71480-5 / 2003.11.04.

• European Patent application, April 28th 2000; n° 00870090.8, Ph. Samyn: “Structure de support d’éolienne”, 23p; (Europe).
• Ph. SAMYN, Th. VILQUIN: “Structure de support d’Eolienne. Rapport de recherche. Notes de calcul».
Pour la Construction Soudée s.a. (group Fabricom). April 28th 2000. Internal report, 248 p; (01/387); (Belgium). This document is also available for consultation at the library of the Académie Royale des Sciences, des Arts et des Lettres de Belgique, rue Ducale, n°1 in Brussels.
• Request of certificate INTERNATIONAL PCT (Patent Cooperation Treaty) laid down Thursday April 26th 2001, under n° PCT/BE/01/00075. Ph. SAMYN : “Structure de support, en particulier, pour une éolienne “18 pages + 10 pages de figures. International publication 2001.11.08 sous le n° WO 01/83984 A1 [(2+10+6 ) pages = 18 pages ];(Europe).
• Demande de brevet INTERNATIONAL PCT (Patent Cooperation Treaty) déposé le jeudi 26 avril 2001, sous le n° PCT/BE/01/00075. Ph. SAMYN : “Structure de support, en particulier, pour une éolienne “18 pages + 10 pages de figures. Publication internationale 2001.11.08 sous le n° WO 01/83984 A1 [(2+10+6) pages = 18 pages]. Notification de délivrance. Demande n°01.927505.6-2315 ref. DPNE 132.989 LB. 2004.04.16 [(5+27)=32 pages] ; (EU). (E14_589).
• AERODYN Energie systeme Gmbh, Proviänthausstrasse 9, 24768 Rendsburg, Deutschland, “La Construction Soudée”, Preliminary Design of a Wired Tower for the wind energy conver ter Jeumont J48, 62,5m HH, TC2” ; Document – Number B-41.1.0-RT.00.00.01-B, Révision B ;  2001.04.18-, 31p; (Germany).
• DETAIL IN ARCHITECTUUR, July-August 2001, p 6 “Lichte windmolen” ; (Netherlands).
• Cobouw – dagblad voor de bouw, Tuesday October 23rd 2001, 145e jaargang, number 196, p 1 ; Ad TISSINK : “Getuide windmolen moeiteloos omhoog” ; (Netherlands).
• PROCEEDINGS of the FIFTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON SPACE STRUCTURES, Guildford, England, 19-21 août 2002, (ISBN : 0-7277-3173-4),pp 1265-1274; Ph. Samyn, Th. Vilquin : «Light Windmill Mast with Cocked Guys»; (GB). (E14_644).
• ESPACE-VIE. Aménagement du territoire, Urbanisme et environnement, n°123, décembre 2001, couverture et pp 3-5 ; Anne NORMAN : “Les éoliennes, une énergie dans le vent ? ” ; (Belgium).
• INDUSTRIE MAGAZINE, 1 mai 2002; pp 54-55 : “Pour une architecture durable” – 1 mei 2002; pp 60-61 :“Duurzame architectuur”; (Belgium).
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• PAESAGGI DEL VENTO. A cura di Edoardo Zanchini. Meltemi editore, 2002, p. 106; “Leggero come il vento” (Italy).
• Edoardo Zanchini, “Paesaggi del vento”, Meltemi editore, Roma, 2002; (Italy).
• THE ARCHITECTURAL REVIEW, November 2003, n° 1281, pp 32-33, “Wind powermast prototype”; (Italy).
• Germanischer Lloyd – WindEnergie GmbH “Certification report” Wind Turbine : Jeumont J48 / Guyed Tubular Steel Tower : La Construction soudée / Hub Height 62,5 m IEC Type Class IIA – Report No : 71480-5 – Date : 2004.02.24; 5p; (DE). (E14_742).
• LES CAHIERS DE L’URBANISME n° 52, décembre 2004, pp. 30-32 ; “Mât d’éolienne léger” ; (BE). (E14_776).
• STAAL-ACIER, n° 6, mars 2005, pp. 22-25, “Lichetere windmasten – Des mâts d’éoliennes plus légers” ; (BE). (E14_783).
• Aldo AYMONINO, Valerio Paolo MOSCO :“Espaces publics contemporains – Architecture « volume zéro »”
Skira editore. Janvier 2006. (ISBN : 88.7624.274.0); pp.126-127 : « Service Station – Houten » ; pp. 352-353 : “A light windmill Mast”; (IT). (E14_837).
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Andres Fernandez