II. Énergies

A. Énergie hydraulique : Hydrolienne

     En France, seulement 13 % de notre production d’énergie est issu de l’énergie hydraulique. Le problème ? Ces hydroliennes peuvent être dangereuses pour la faune marine et on pour inconvénient d’être installées seulement dans les zones à fort courant.

 

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La société EEL Energy, une société Franco-anglaise, ont imaginé à partir du mouvement des poissons une hydrolienne pouvant être immergée et pouvant être disposée en mer comme dans les fleuves.

Ils essayent donc d’imiter l’ondulation de ces poissons. L’hydrolienne est constitué d’une membrane dite ondulante : cette ondulation sera la source de la création d’énergie

 

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La structure de la membrane est en carbone avec un revêtement en  caoutchouc, qui permet une bonne inertie dans l’eau. Lorsque la membrane effectue son mouvement grâce au courant, via à un système de bobine et d’aimant, l’ondulation de l’hydrolienne est convertit en énergie.

Cette hydrolienne peut  s’adapter  à différents courants. Donc on peut la disposer dans 1000 fois plus de lieux que les hydroliennes classiques.

 

  • Quelques Informations sur l’hydrolienne d’après  le site d’EEL Energy :

Poids : 230 Tonnes

Production : 1 MW pour 2.5m/s

Taille : Monté sur un châssis de 15m/15m

Technologie Brevetée au niveau international avec un déploiement prévu fin 2018.

Fonctionne 24h sur 24.

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B. Énergies éolienne : La baleine à bosse

     L’énergie éolienne fait aussi parti des énergies renouvelables, en effet ce principe permet de fournir de l’énergie à partir de la force du vent. Grâce au biomimétisme, l’Homme défie le vent par les études aérodynamiques.

Une baleine à bosse

 

     Immergées dans l’eau, les baleines à bosse se distinguent par leurs grandeurs et leurs énormes poids. Grâce à leurs nageoires recouvertes de tubercules, ces mastodontes nagent avec une fluidité et une agilité très impressionnante.

Depuis plusieurs années des chercheurs étudient la forme des nageoires afin de comprendre la simplicité des mouvements. Suite à ces études, la société Whale Power a produit un nouveau type de pale d’éolienne en s’inspirant des nageoires. Avec cette nouvelle technologie, la société a pu confirmer que la production d’énergie augmenterait de 20% contre une pale habituelle.

Ces performances ont été vérifiées par l’IEEC (Institut de l’Energie Eolienne du Canada) avec l’installation de quelques prototypes. D’ailleurs, les résultats montrent une meilleure stabilité aux niveaux des pales mais aussi une nuisance sonore moins importante.

 

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     Frank Fish, professeur de biologie au nom prédestiné et président de la société Whale Power est l’une des plus grandes personnalités de cette avancée. Il supposa vite que les tubercules des nageoires devaient donner un avantage hydrodynamique aux baleines.

Cette inspiration peut aussi s’appliquer sur diverses machines à turbines, comme les ventilateurs, les pompes, les compresseurs mais aussi les hélices de bateau à moteur.

Ainsi, dans l’air ou dans l’eau, le biomimétisme offre un rendement efficace dans l’énergie.

C. Diminuer la consommation d'énergie

  • L’airbus A380

            Dans l’aéronautique, les ingénieurs doivent faire face à de nombreux problèmes qui se posent lors de la conception d’un avion ; afin que celui-ci puisse répondre à toutes les attentes qu’exigent un vol commercial d’un long-courrier, un transport de marchandises ou un transport militaire par exemple. De nos jours, les avionneurs sont obligés d’investir dans le développement durable afin de répondre à de nouvelles contraintes écologiques qui sont imposées afin de réduire notre impact sur l’environnement.

            Denis Darracq, chef de la recherche physique du vol chez Airbus, affirme que « face à un problème particulier : comment améliorer la portance de nos voilures pour une envergure donnée, comment réduire le frottement de l’air sur la surface de l’avion, comment alléger les structures etc, on regarde les solutions que la nature a mises en place. »

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En observant les rapaces et leurs ailes recourbées à leurs extrémités, il a eu l’idée de placer des « winglets », ou « sharklets », à l’extrémité des ailes de l’A380

  • Il augmente ainsi la portance des ailes tout en réduisant la taille de la Voilure de l’A380 de 3 mètres. Or, la largeur standard des pistes de la plupart des aéroports dans le monde est de 45 m, et l’A380 possède déjà une envergure imposante de 79,75m. L’airbus A380 est en 2014 le plus gros avion civil de transport de passager ! Les ingénieurs airbus ne peuvent donc pas augmenter indéfiniment la taille de la voilure de leur aéronef afin d’augmenter la portance de celui-ci : cela réduirait drastiquement la maniabilité de l’avion en rendant les manœuvres de roulis plus compliqués à réaliser, et le décollage et l’atterrissage ne pourraient se faire que sur des pistes énormes de plus de 45 mètres de largeurs.

Mais qu’est-ce que la portance ?

Il existe 4 différentes grosses forces aérodynamiques qui permettent à un avion de voler :

  • la force de traînée est la force qui s’exerce dans la direction opposée à celle de la vitesse de l’avion. Elle est donc la force qui s’oppose au mouvement de l’avion : c’est la résistance à l’avancement.
  • la force de portance est dirigée vers le haut et s’exerce dans une direction perpendiculaire à la force de traînée : c’est donc elle qui maintient l’avion en l’air.
  • la force de traction est la force qui fait avancer l’avion. Elle est engendrée par les moteurs et les turbines de l’aéronef.
  • le poids et la gravité, tout simplement, qui attirent l’avion vers le bas et qui sont les forces « opposés» à la force de portance.

 

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Lorsque l’avion vole, il crée dèrrière lui des turblulences qui augmentent la force de traînée. Les winglets permettent de réduire ces turbulences engendrées par le vol de l’avion, donc de réduire la force de traînée.

 

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Or si la force de traînée est moins importante, la force de traction le sera aussi, permettant ainsi d’économiser du carburant.

Les sharklets permettent donc de maintenir l’avion plus longtemps en l’air tout en consommant moins de carburant. Ce dispositif permet ainsi de réduire la consommation de carburant jusqu’à 3,5%, ce qui évite le rejet de 700 tonnes de CO2 par avion et par an.

 

  • Le martin-pêcheur et le Shinkansen

 

      Le Shinkansen est le service de train à grande vitesse du Japon. La première ligne du Shinkansen date de 1964, ligne qui fut inauguré à l'occasion des Jeux Olympiques de Tokyo la même année. Depuis sa création, les différents modèles de train qui ont circulé sur ses voies ont pulvérisés de nombreux records de vitesse, de ponctualité et de sûreté. (Il n’y a eu qu’un seul déraillement du Shinkansen depuis sa création causé par un séisme, et il n’a fait aucune victime ! De plus en 2003, le retard moyen des trains était de 6 secondes !).

Seulement, sa grande vitesse fait que lors du passage dans un tunnel, la forte différence de pression entre l’air libre et celui compressé du tunnel entraîne un grand bruit, qui s’apparente à celui d’une explosion. Le Japon possédant des lois strictes sur la pollution sonore, et le Shinkansen circulant dans de nombreuses zones urbaines, ce train se voyait contraint de ralentir avant de passer par un tunnel pour accélérer de nouveau à la sortie de celui-ci. Seulement, sur la ligne reliant Shin-Osaka a Hakata par exemple, on trouve plus de 225 km de tunnels ! En effet, le Japon est un pays très montagneux, et répéter cette opération sur 225 km de tunnels est compliquée et contre-productif.

 

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Afin de régler ce problème, Eiji Nakatsu, ingénieur-chef  du département général du développement technique de la Japan Railway West, passionné d'ornithologie, c'est intéressé au martin-pêcheur connu pour plonger dans l'eau sans faire de remous afin de ne pas effrayer les poissons dont il se nourrit : cet oiseau est capable de passer d’un milieu comme l’air à un autre plus dense, comme l’eau, sans créer de « remous », donc de perturbations : si l’on appliquait le même système au Shinkansen, celui-ci serait donc capable de passer les nombreux tunnels de sa ligne ferroviaire  sans avoir à ralentir et sans créer de pollution sonore, conséquence du changement brutal de milieu et de pression que subissait le Shinkansen. Il décida de modeler l’avant du futur Shinkansen 500 à partir du bec de cet oiseau.

 

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       Nakatsu c’est en effet rendu compte que si le martin-pêcheur est capable de telles prouesses, c’est grâce à la forme de son bec. Celui-ci possède en effet un coefficient de traînée beaucoup moins important que celui d’un TGV classique.

En mécanique des fluides, le coefficient de traînée est un nombre sans dimension, qui représente la distribution de la pression exercée par un fluide sur un objet mobile dans ce milieu matériel dit déformable. Cette pression s’oppose à l’avancement de cet objet dans ce milieu : c’est la force de traînée, comme expliqué précédemment pour l’Airbus A380.

Malheureusement, ce coefficient de traînée n’est calculable que si l’on connaît la force de traînée de l’objet que l’on étudie, or cette force de traînée n’est calculable que si l’on connaît le coefficient de traînée de cet objet. Le coefficient de traînée du martin-pêcheur et celui du Shinkansen nous étant inconnus, et n’ayant pas accès à une soufflerie, où l’on peut mesurer les forces de traînée du martin-pêcheur et du Shinkansen, et afin d’avoir des ordres de grandeurs pour se repérer, nous allons employer des données trouvées sur internet, et assimiler vulgairement la forme du Shinkansen et celle du martin-pêcheur à de simples formes géométriques.  

 

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Si l’on assimile le Shinkansen à un cube et le martin-pêcheur à un corps profilé, on peut grossièrement déclarer que le Shinkansen oppose 26,25 fois plus de résistance à l’air que le martin-pêcheur ! Nakatsu dessine donc un nouveau Shinkansen, que l’on pourrait assimiler à un Semi corps profilé : le coefficient de traînée est moindre que précédemment (0,09 au lieu de 1,5) : le Shinkansen, cette-fois ci, n’oppose cette fois « que » 2,25 fois plus de résistance à l’air que le martin-pêcheur ! Avec de si fortes similitudes au niveau de la pénétration de l’air lors de l’avancement du Shinkansen, le TGV Japonais peut maintenant quasiment égaler les prouesses du martin-pêcheur quant aux changements de milieux plus ou moins denses.

Non seulement l’effet de compression de l’air à l’entrée des tunnels s’est atténué, mais en plus, la vitesse a augmenté de 10% et la consommation en énergie a diminué de 15% ! Le nouveau Shinkansen série 500 permet de relier Shin-Osaka à Hakata en 2h17 minutes, avec des pointes à 300 km/h, alors que son prédécesseur, le Shinkansen série 300 faisait le trajet en 2h32 minutes, avec une vitesse moyenne de 270 km/h.

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