L’impression 3D dans le domaine de l’énergie éolienne  

L’utilisation croissante de l’impression 3D se répand dans divers secteurs, avec de plus en plus d’entreprises reconnaissant ses avantages dans les processus de fabrication. Le domaine de l’énergie ne fait pas exception. Selon un rapport de l’« Additive Manufacturing Research », le marché de l’impression 3D dans ce secteur devrait atteindre 17 milliards d’euros d’ici 2032. Une étude détaillée intitulée « Additive Manufacturing in the Energy Sector : market Analysis & Forecast », explore les opportunités et les potentiels de la fabrication additive, notamment dans les énergies renouvelables comme l’énergie éolienne. L’accent est mis sur le rôle crucial de l’impression 3D dans le développement et la maintenance des équipements essentiels pour l’énergie éolienne, soulignant ainsi la nécessité d’exploiter pleinement son potentiel.

Les acteurs du marché reconnaissent de plus en plus les avantages de l’impression 3D dans le domaine des énergies renouvelables, en particulier dans l’énergie éolienne. Cette technologie offre la possibilité de réduire les coûts de production tout en permettant une personnalisation de la taille selon les besoins spécifiques de chaque emplacement. De plus, les défis posés par les méthodes traditionnelles de fabrication des éoliennes sont bien connus : les pales sont généralement fabriquées à partir de plastique renforcé de fibres de verre, un matériau difficilement recyclable.

Les procédés d’impression 3D et les matériaux utilisés

Parmi les techniques d’impression 3D les plus couramment employées dans le secteur de l’énergie éolienne, la technologie FDM occupe une place de choix. Cette méthode est souvent choisie pour la fabrication de prototypes et de pièces. Une autre méthode largement utilisée est le SLS, qui recourt à un laser pour fondre des matériaux sous forme de poudre tels que le nylon, avant de les solidifier pour former une structure. Les avantages de cette approche incluent la stabilité des prototypes et des produits finis, ainsi que la production de composants pour l’énergie éolienne, particulièrement adaptés aux petites pièces. De plus, la technique du Binder Jetting est fréquemment employée.

Le procédé DMLS a déjà été mis en œuvre dans le domaine de l’énergie éolienne pour l’impression 3D de pièces métalliques hautement précises et complexes, qu’il s’agisse de prototypes, de composants finaux ou de réparations sur des éoliennes existantes. Des entreprises telles que Siemens Gamesa Renewable Energy et Vestas l’ont déjà exploité pour la fabrication et l’optimisation de leurs turbines. Par ailleurs, dans la fabrication de prototypes et de boîtiers pour les éoliennes, l’industrie éolienne recourt fréquemment à des matériaux tels que le PLA et l’ABS. Le nylon, le polyamide, les poudres métalliques, les fibres de verre et de carbone, ainsi que les résines sont également utilisés dans l’impression 3D pour répondre aux besoins spécifiques de l’industrie.

Les avantages et les limites de l’impression 3D dans l’énergie éolienne

Comme nous l’avons déjà mentionné, l’impression 3D dans l’énergie éolienne est particulièrement adaptée à la production de prototypes. Cette efficacité découle de la capacité de cette technologie à produire des pièces de manière économique et rapide, favorisant donc l’innovation dans ce secteur. De plus, l’impression 3D offre la possibilité de réaliser des formes plus complexes que celles obtenues avec les méthodes traditionnelles, ce qui permet d’améliorer les performances des pales de rotor, comme illustré par un projet de recherche mené à l’université technique de Berlin. Dans le cadre de cette étude, les chercheurs ont réussi à imprimer une éolienne entière d’un seul tenant à l’aide de l’imprimante 3D BigRep.

Il est également envisageable de concevoir des pièces d’éoliennes sur mesure pour les clients, pour les adapter précisément à l’emplacement des éoliennes. L’utilisation de l’impression 3D offre la possibilité de produire des composants directement sur place et permet une flexibilité accrue pour ajuster en permanence les moules et les composants. Cette approche réduit les coûts de transport des pièces moulées, facilitant ainsi l’approvisionnement en nouveaux moules imprimés de manière rapide et économique. Aux États-Unis, les contraintes de transport imposent des limites de longueur de 53 à 62 m pour les pales de rotor en raison de l’infrastructure ferroviaire et routière existante. C’est pourquoi l’impression 3D, éventuellement combinée à la robotique, présente un potentiel considérable en permettant la fabrication sur place, notamment pour la production d’équipements plus vastes et plus puissants.

Étant donné les délais prolongés associés aux méthodes de production traditionnelles, l’impression 3D offre aussi la possibilité de produire des pièces de rechange plus rapidement et sur demande. Cela réduit les délais de commande et de fabrication, éliminant ainsi le besoin de maintenir constamment des stocks à des niveaux élevés. De plus, cette technologie crée des structures légères et complexes pour les éoliennes, ce qui contribue à réduire leur poids total.

Bien que l’impression 3D offre des avantages en termes de réduction des coûts de production de prototypes, les investissements initiaux dans les imprimantes 3D et les matériaux nécessaires restent très élevés, ce qui peut entraîner des coûts lors de l’utilisation de cette technologie. De plus, il est souvent difficile de répondre aux exigences strictes des normes et des certifications en utilisant l’impression 3D, entraînant également des coûts supplémentaires. Par ailleurs, des limitations persistent quant à la taille des pièces d’éoliennes pouvant être imprimées en 3D, et des projets tels que l’ACC demeurent parmi les rares à permettre l’impression de pièces d’éoliennes de très grande taille. Étant donné que l’expérience de l’impression 3D dans le domaine de l’énergie éolienne est encore relativement limitée, il reste à déterminer si les pièces imprimées en 3D présentent des caractéristiques fiables et stables dans le temps.

Les applications de l’impression 3D dans la fabrication d’éoliennes

L’impression 3D joue un rôle crucial, s’appliquant à divers aspects tout au long du processus de production des éoliennes. En particulier, la fabrication additive est utilisée pour la production de composants et de moules, ainsi que pour la réalisation de prototypes de nouveaux composants. Cette méthode permet de créer rapidement des prototypes pour les tester et les améliorer avant leur utilisation en production de masse. Par exemple, le groupe américain General Electric (GE) a commencé à imprimer en 3D de grands composants d’éoliennes dès 2019 et a ouvert une usine d’impression 3D aux États-Unis en 2021, dédiée à la recherche. GE a également utilisé l’impression 3D pour fabriquer des pales de turbine plus légères pour ses moteurs GE9X.

Une autre entreprise exploitant l’impression 3D dans ce secteur est la start-up Orbital Composites, qui se spécialise dans la production de turbines, de pales d’éoliennes, de fondations et de tours à l’aide de la fabrication additive sur place, à haut débit et à grande échelle. Dans le cadre de ce projet, Orbital Composites vise à démontrer et à valider l’utilisation de ses robots d’impression 3D pour la fabrication de pales d’éoliennes. L’entreprise ambitionne également de développer des systèmes capables d’imprimer en 3D des pales de vent dépassant les 100 mètres de longueur, ainsi que des éoliennes offshore directement à bord de navires en mer. Pour réaliser ces objectifs, la start-up collabore avec le Oak Ridge National Laboratory (ORNL) et l’Université du Maine, dont les recherches seront abordées dans une section ultérieure. Orbital Composites a déjà reçu un soutien financier du Department of Energy (DOE) et de l’Office of Energy Efficiency and Renewable Energy (EERE), à hauteur de 4 millions de dollars.

Dans le passé, l’entreprise espagnole Soleolico a utilisé l’impression 3D pour concevoir la toute première éolienne au monde équipée de panneaux photovoltaïques. Cette installation se distingue par sa capacité à produire à la fois de l’énergie éolienne et solaire, tout en absorbant le CO2. Pour ce projet novateur, Soleolico a travaillé avec un procédé d’impression 3D de Pure Tech, nécessitant 10 ans de développement jusqu’en octobre 2023.

Recherches sur l’impression 3D dans l’énergie éolienne

Dans plusieurs universités du monde entier, des chercheurs explorent l’application de l’impression 3D dans le domaine de l’énergie éolienne, tel que le projet mené à l’Université technique de Berlin intitulé « 3D Printing Powers Wind Turbine Research ». Sous la direction d’Immanuel Dorn, ingénieur technique, et de Sascha Krumbein, étudiant en master d’ingénierie et également instructeur du projet, l’équipe se penche sur l’optimisation des pales de rotor grâce à l’impression 3D. Leurs travaux comprennent des tests de différentes configurations de pales dans une grande soufflerie, où ils évaluent les performances des rotors soumis à de multiples itérations de production avec divers matériaux imprimés en 3D. Les chercheurs ont commencé par la conception aérodynamique, puis se sont orientés vers la conception structurelle, impliquant le remplissage et le choix des matériaux, nécessitant ainsi plusieurs cycles d’itération pour ajuster et adapter les matériaux utilisés.  Enfin, l’équipe a mené des tests aérodynamiques « en conditions réelles » dans leur tunnel aérodynamique, y compris des crash-tests, pour évaluer les performances des pales.

Par ailleurs, de nombreuses universités américaines se penchent sur la recherche dans ce domaine. Par exemple, l’Université Purdue, dans l’Indiana, en collaboration avec RCAM Technologies et la Floating Wind Technology Company, travaille sur le développement d’ancres et de structures de turbine en béton plus économiques, tout en explorant la fabrication additive d’outils pour les pales de rotor d’éoliennes. Ce projet, mené en partenariat avec plusieurs entreprises et soutenu financièrement par le ministère américain de l’Énergie (DOE) à hauteur de 2,8 millions de dollars, vise à accélérer la fabrication des outils et à réduire les coûts des produits finis grâce à l’impression 3D.

Les subventions dans l’impression 3D dans l’industrie éolienne

Plusieurs projets ont déjà reçu un financement, notamment par le ministère fédéral de l’Économie et de l’Énergie (BMWi), comme le projet « Advance Casting Cell » (ACC). Ce projet, qui tire son nom de l’imprimante 3D grand format utilisée pour fabriquer des moules en sable, implique également le « Fraunhofer-Institut für Gießerei-, Composite- und Verarbeitungstechnik » (IGCV) en tant que partenaire associé, tant pour les aspects techniques des matériaux que pour la surveillance numérique des processus. L’entreprise d’impression 3D Voxeljet de Bavière est également impliquée dans le projet. En 2022, GE Renewable Energy, fabricant d’éoliennes terrestres, a annoncé son intention de tester des moules imprimés en 3D pour le moulage du métal de divers composants clés de la nacelle de l’éolienne Haliade-X de GE. L’imprimante 3D utilisée a permis de produire des moules pour des pièces de turbine en métal pesant jusqu’à 60 tonnes et pouvant atteindre 9,5 mètres de diamètre. L’objectif de ce projet est de réduire le temps de production des moules pour les éoliennes offshore d’au moins dix à deux semaines, tout en diminuant les coûts de transport en fabriquant les moules sur place. Cette approche permet également de réduire l’empreinte carbone de la production d’éoliennes.

Un autre soutien dans le domaine de l’impression 3D appliquée à l’énergie éolienne provient de l’IFAF, qui soutient actuellement le projet Winddruck, programmé pour se terminer en septembre 2024. Ce projet vise à rendre les pales d’éoliennes produites à grande échelle de manière économique et durable grâce à l’impression 3D. De plus, le projet explore la possibilité de fabriquer à l’avenir des pales d’éoliennes par impression 3D à partir de matériaux renouvelables et recyclables.

L’utilisation de l’impression 3D dans l’énergie éolienne prend de plus en plus d’importance et montre un grand potentiel d’innovation et d’amélioration de l’efficacité. Les entreprises et les instituts de recherche du monde entier reconnaissent les avantages de cette technologie et investissent dans le développement et l’application de méthodes de fabrication additive. Les multiples applications de l’impression 3D s’étendent de la production de prototypes et de composants à la fabrication d’éoliennes entières. Elles permettent une flexibilité et une adaptabilité que les méthodes de fabrication traditionnelles ne peuvent pas offrir. Bien qu’il reste des défis, la voie est ouverte pour que l’impression 3D dans l’énergie éolienne transforme durablement le secteur et améliore encore l’accès à une énergie propre.

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*Crédits photo de couverture : Photocase