Rendre l'énergie éolienne encore plus verte

Oct 14, 2023

Nous sommes en 2035. Dans un monde confronté à une catastrophe climatique, l'entreprise humaine est alimentée par des champs de parcs éoliens, avec des pales de turbine fabriquées à partir d'herbes à croissance rapide et des racines d'un champignon vieux d'un million d'années.

Cela peut ressembler à une scène d'un film de fiction sur le climat, mais l'experte en composites polymères Valeria La Saponara, professeure au Département de génie mécanique et aérospatial de l'UC Davis, a pour vision de développer des pales d'éoliennes compostables et écologiques à partir de bambou et de mycélium. , le système fongique ressemblant à une racine qui porte des champignons. Avec un financement de démarrage de la vision de recherche stratégique Next Level du College of Engineering et une subvention du Green Initiative Fund de UC Davis Sustainability derrière la phase initiale de recherche, La Saponara, co-chercheuse principale Michele Barbato au Département de génie civil et environnemental, et une équipe diversifiée d'étudiants et de chercheurs du laboratoire Advanced Composites Research, Engineering and Science teste un prototype sur le campus.

Le vent est l'une des sources d'énergie renouvelable à la croissance la plus rapide en Californie et dans le monde. C'est un élément clé de la voie de la Californie vers la neutralité carbone d'ici 2045. La Chine, qui représente plus de la moitié de l'énergie éolienne mondiale, prévoit de construire un parc éolien qui pourrait alimenter 13 millions de foyers d'ici 2025 alors qu'elle travaille vers son réseau 2060. objectif zéro.

Le rôle croissant du vent est en grande partie une bonne nouvelle. Mais à mesure que cette source clé d'énergie renouvelable se développe, une solution écologiquement rationnelle est nécessaire pour le nombre croissant de pales éoliennes destinées aux décharges. Les pales des éoliennes sont énormes : le diamètre moyen du rotor aux États-Unis en 2021 était de 418 pieds, donc une seule pale est presque aussi grande que l'envergure d'un Boeing 747. Conçues pour résister aux vents violents et aux intempéries, les pales ont une durée de vie d'environ 20 ans avant d'être retirées ou remplacées. La plupart sont construits à l'aide d'une structure composite de fibre de verre/époxy construite sur du bois de balsa, ce qui ajoute stabilité et flexibilité. Les options de recyclage sont très limitées, coûteuses et entraînent les impacts supplémentaires de l'empreinte carbone du transport.

La plupart des pales d'éoliennes finissent dans des décharges. Aux États-Unis seulement, plus de 2 millions de tonnes de pales déclassées devraient être envoyées dans des décharges d'ici 2050 selon une étude récente ; à l'échelle mondiale, la masse de toutes les pales qui devraient être retirées d'ici 2050 pourrait atteindre 43 millions de tonnes métriques. L'utilisation du bois de balsa est un impact écologique supplémentaire dévastateur. La croissance rapide de l'industrie éolienne a provoqué une surexploitation dans la forêt amazonienne équatorienne, entraînant une déforestation incontrôlée et des dommages sociétaux aux communautés autochtones de la région. Certains fabricants sont passés aux plastiques PET, ajoutant aux millions de tonnes de déchets PET dans l'environnement.

Pour La Saponara, la pollution des pales de vent est un problème urgent.

"Nous voulons avoir de l'énergie propre, mais l'énergie propre ne peut pas polluer l'environnement, et elle ne peut pas provoquer la déforestation", a déclaré La Saponara. "Si nous faisons de l'énergie propre, ce n'est pas pour déboiser la forêt amazonienne. Nous voulons être de bons citoyens pour tout le monde."

La Saponara envisage une pale d'éolienne compostable construite avec du bambou tissé, du mycélium et de la biomasse provenant des déchets agricoles de la vallée centrale de Californie à la place de la fibre de verre et du bois de balsa. Elle a commencé à travailler avec le mycélium en 2019, lorsqu'elle a cherché une alternative aux plastiques fossiles des doublures de casque de vélo. Le mycélium est une substance incroyablement polyvalente, et le laboratoire de La Saponara a recherché des possibilités pour en faire une alternative compostable à faible émission de carbone, à faible toxicité et aux matériaux non dégradables comme le polyuréthane et l'acrylique.

La mise à l'échelle d'un projet aussi vaste et complexe que les pales d'éoliennes est une étape supérieure impliquant un groupe hautement collaboratif.

"Le projet pousse comme des champignons", a plaisanté La Saponara. "La création de ce design nécessite le travail de plusieurs disciplines."

En plus du co-chercheur principal Barbato, qui soutiendra le développement structurel, et de l'ingénieur de recherche Shuhao Wan, le projet comprend un groupe diversifié d'étudiants chercheurs en ingénierie et en conception.

Par chance, La Saponara compte dans son équipe un chercheur hautement multidisciplinaire, qui est également un artisan habile du bambou : Shuhao Wan, l'ingénieur de recherche en instrumentation et conception du laboratoire, a travaillé avec le bambou comme passe-temps, fabriquant des maquettes de bateaux en bouteilles. Wan teste différentes manières de tisser les roseaux de bambou.

Pendant ce temps, l'équipe travaille sur l'optimisation des supports pour la croissance et la fixation de la couche de mycélium. Le mycélium est un matériau étonnant car il peut être cultivé là où il sera utilisé, tant que les conditions sont réunies. La masse fongique peut prospérer dans les flux de déchets allant du marc de café aux plastiques mis au rebut, sa matière première influençant ses propriétés. Mais le mycélium ne mange pas tout, et le bambou naturellement antifongique n'est pas au menu. L'équipe teste l'incorporation de déchets textiles post-consommation, ce qui peut offrir le résultat bonus de la croissance du mycélium en utilisant des déchets autrement destinés à la décharge.

L'équipe a récemment construit un prototype pour commencer les tests.

"Nous voulons faire des tests structurels pour savoir à quelle vitesse de rotation nous pouvons avoir, combien de puissance nous pouvons générer", a déclaré La Saponara.

Le composite mycélium-bambou remplacera les pales d'une turbine commerciale de 1 kilowatt installée près du STEEL Lab, qui fait partie du Western Cooling Efficiency Center, loin du campus central. La Saponara a déclaré qu'ils testeront également la résilience de ces pales, en s'assurant qu'elles peuvent résister à des vents de 85 milles à l'heure.

"Une fois que nous aurons la preuve de concept pour 1 kilowatt, ce qui est une quantité d'énergie raisonnable, nous pourrons alors commencer à travailler avec des entreprises pour la commercialisation de ce concept pour des applications énergétiques distribuées", a déclaré La Saponara.

Ce sont les premiers jours vers l'objectif éventuel de mise à l'échelle des lames pour une utilisation mondiale. En fait, les pales pourraient aider dans les zones touchées par des catastrophes naturelles, où des solutions énergétiques sont nécessaires rapidement, et l'énergie éolienne pourrait être couplée à des panneaux solaires.

"Ce que nous faisons en ce moment ne fonctionne plus", a-t-elle déclaré. "Nous sommes à un tournant dans l'environnement, et notre prochaine génération est celle qui paiera le prix le plus élevé. En fin de compte, il est impossible de parler d'ingénierie environnementale sans parler de justice environnementale."

Co-chercheuse principale Michele Barbato, professeur au Département de génie civil et environnemental, soutiendra la modélisation structurelle de la tour, en conseillant le boursier postdoctoral Prakash Singh Badal.

Shuhao Wan, L'ingénieur de recherche en instrumentation et conception du laboratoire et ancien ingénieur en génie mécanique et aérospatial de l'UC Davis étudie les moyens de construire les pales, y compris la structuration de la couche de bambou. Shuhao commencera son doctorat. à l'Université du Michigan à l'automne 2023.

Shree Nagarkar, un doctorat étudiant en génie mécanique et aérospatial, a commencé à étudier l'aérodynamique et le comportement d'interaction fluide-structure de ces pales flexibles d'éoliennes. Plus récemment, la modélisation aérodynamique des pales d'éoliennes est réalisée par un étudiant de premier cycle chercheurFernando Hernández Sanchez(diplômé en génie mécanique et aérospatial et pilote), conseillé par un expert en aérodynamique éolienneCamli Badria, professeur adjoint au Département de génie mécanique et aérospatial.

Étudiants chercheurs de premier cycleNicholas Gallo, Dominic Soufl, Connor Prescott(à différentes étapes de leurs majeures en génie mécanique et / ou aérospatial) etShivani Torres-Lal(étudiant en génie chimique) ont travaillé sur divers aspects du projet, de la construction de la lame à la préparation et aux tests du mycélium/bionass.

Alejandra Ruiz, Étudiante à la maîtrise en beaux-arts du département de design, étudie le mycélium qui pousse sur les textiles. Ruiz est encadré par Christina Cogdell, professeure au Département de design et experte en biodesign.

Aidelen Montoya, California State University, San Marcos, en études muséales, arts et histoire, un étudiant de premier cycle en recherche d'été 2022 qui étudie la croissance du mycélium à partir de papier pour diverses applications. Montoya est encadrée par le professeur Lucy HG Solomon du département d'art, de médias et de design du CSUSM.

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