L'énergie houlomotrice constitue la plus grande ressource inexploitée d'énergie renouvelable sur terre. En captant l'énergie contenue dans le mouvement des vagues, on pourrait produire de l'électricité pour les générations futures. La start-up suédoise Ocean Harvesting a mis au point une technologie révolutionnaire d'énergie houlomotrice susceptible de libérer cette ressource. Ce système innovant utilise les vis à billes haute résistance de NSK pour convertir le mouvement linéaire de haut en bas produit par la houle en un mouvement de rotation entraînant le générateur.
Pour que l'objectif mondial de réduction des émissions de gaz à effet de serre (en particulier le CO2) devienne réalité, le monde doit développer de nouvelles sources d'énergie durables.
Production d'électricité à partir des vagues
L'énergie hydroélectrique est sous les projecteurs. En Norvège, par exemple, les centrales hydroélectriques produisent environ 95% de l´ensemble de l'énergie électrique, tandis qu'en Suisse, ce chiffre est de 56%. Toutefois, ces centrales à turbines se trouvent dans des régions montagneuses. Les océans, qui recouvrent les deux tiers de la surface de la Terre, sont encore largement inexploités comme source d'énergie dans le monde, à l'exception de quelques centrales marémotrices dans les estuaires des fleuves.
Cette situation est sur le point de changer si Ocean Harvesting parvient à ses fins. La société a mis au point un convertisseur d'énergie houlomotrice (CEH) appelé InfinityWEC, capable de récupérer l'énergie des vagues.
Un principe de base innovant
Le principe de base est innovant et crédible. La houle fait monter et descendre des bouées (ancrées au fond de la mer), ce mouvement étant capté par un système de ressort hydraulique à force constante (un cylindre hydraulique raccordé à un important volume de gaz) et deux vis à billes très résistantes de NSK. Les écrous des vis à billes sont reliés directement au cylindre, convertissant ainsi le mouvement linéaire ascendant et descendant en un mouvement rotatif (de l'axe de la vis à billes) qui agit directement sur un générateur pour produire de l'électricité.
La force de ressort du cylindre fournit une force quasi constante de 1 MN tirant sur la bouée, tandis que les deux vis à billes associées aux générateurs délivrent une force bidirectionnelle jusqu'à ±1 MN. Au total, une force instantanément contrôlable de 0-2 MN est assurée par la prise de force de chaque CEH. Il est ainsi possible d'obtenir une haute densité de puissance, garantissant un rendement énergétique proportionnellement élevé. Dans la pratique, de nombreux convertisseurs d'énergie houlomotrice sont installés ensemble sous forme de « parc ».
Vis à billes à double fonction : production d'énergie et amortissement
De nombreuses solutions détaillées ont dû être développées avant que ce concept élégant et durable puisse être mis en œuvre. Par exemple, il est essentiel de garantir l'alignement optimal du corps de bouée pour chaque vague (c´est le contrôle de phase), vital pour une production d'énergie performante. Le système prélève ensuite l'énergie en appliquant la force de la vis à billes dans la direction opposée au mouvement (c´est l´amortissement).
« Avant la montée de la vague, la bouée doit se trouver dans la position idéale, et c'est là que les vis à billes jouent un rôle crucial en fournissant une force de contrôle de phase, assistée par le système de ressorts précontraints, c'est-à-dire à partir de l'énergie cinétique stockée. L'amortissement qu'elles exercent suit alors une courbe de force calculée pour maximiser la puissance délivrée », explique Mikael Sidenmark, P-dg d'Ocean Harvesting Technologies.
Il est également nécessaire de garantir le mouvement de retour vers le bas de l'écrou de la vis à billes, une tâche effectuée par le cylindre hydraulique. Le cylindre stocke une partie de l'énergie générée par la force de flottaison et la restitue à la vis à billes lorsqu'elle descend.
Technologie d'entraînement durable et fiable - électronique intelligente
De nombreux efforts de développement ont été consacrés à l'algorithme, qui calcule la position idéale de la bouée pour chaque course du CEH, et à la réalisation de ce mouvement en contrôlant la force de la vis à billes.
Autre innovation, le système de coussinet de butée à double niveau. Dans une mer agitée, ce système arrête doucement le mouvement ascendant de la bouée. Mikael Sidenmark précise les avantages qui en découlent : « Par fortes vagues, la bouée est maintenue immergée à travers la crête des grosses lames et revient produire de l'énergie dès qu'elle refait surface. Elle ne s'arrête jamais en mode de survie, contrairement à de nombreux autres dispositifs CEH, où la production d'énergie est interrompue pendant de longues périodes ».
Choix de l'entraînement : pignon-crémaillère, treuil ou vis à billes ?
Le choix du système d'entraînement de la prise de force pour assurer ces fonctions a également nécessité énormément de diligence, d'autant plus qu'il fonctionne constamment dans des conditions environnementales défavorables (scellé sous l'eau) et qu'il faut le sortir de la mer pour effectuer la maintenance.
« Au départ, nous utilisions dans notre système des entraînements à treuil, puis à pignon-crémaillère. Cependant, nous avons constaté que les vis à billes à usage intensif offraient un remarquable ensemble de capacité de force, grande vitesse, course longue, haut rendement et rapport de conversion élevé du mouvement linéaire au mouvement rotatif, pour un coût relativement faible », confie Mikael Sidenmark.
La très longue durée de vie des vis à billes NSK à usage intensif de la série HTF a finalement fait pencher la balance en faveur de NSK comme fournisseur et partenaire de développement. Comme l´explique Mikael Sidenmark, « Les vis à billes doivent effectuer 100 millions de cycles de charge en 20 ans ; c'est très exigeant ». Et, selon Mikael Sidenmark, le niveau satisfaisant d'assistance disponible a constitué un motif supplémentaire de collaboration avec NSK.
Conçues pour les applications exigeantes à forte charge
À l'origine, les vis à billes à usage intensif de la série HTF ont été conçues pour les applications de machines-outils à usage intensif, telles que les presses et autres machines de formage, ainsi que les machines de moulage par injection à entraînement électrique plutôt qu'hydraulique. Grâce à leur capacité de résistance à de très fortes charges tout en offrant une durée de vie exceptionnelle, les vis à billes série HTF conviennent également à d'autres applications d'infrastructure, comme les éléments d'amortissement des systèmes innovants destinés à la protection des immeubles de grande hauteur contre les tremblements de terre.
De la maquette au prototype à l'échelle 1:1
Ocean Harvesting teste actuellement un prototype de l'« InfinityWEC » à l'échelle 1:10, et prévoit des essais en mer avec un prototype à l'échelle 1:3 en 2023. Ensuite, un premier « convertisseur d'énergie houlomotrice » en grandeur réelle sera mis en place pour démontrer sa viabilité. Entre-temps, NSK se consacrera également au développement, à la conception et à la fabrication d'une vis à billes HTF à usage intensif de la taille requise par Ocean Harvesting.
Les fondateurs d'Ocean Harvesting ont déjà identifié des partenaires pour les premières applications de CEH. Par exemple, un groupe pétrolier évalue la possibilité d'alimenter ses plates-formes pétrolières et gazières en électricité à l'aide des convertisseurs d'énergie des vagues d'Ocean Harvesting. Utilisable dans le monde entier, l'énergie houlomotrice est considérée comme la plus grande source inexploitée d'énergie renouvelable. Par conséquent, le marché de l'InfinityWEC existe et, avec la série HTF de NSK, Ocean Harvesting a choisi les vis à billes adaptées à cette application exigeante.
