Effet Magnus : Challenergy vise l’énergie propre avec un nouveau type d’éolienne

Par Yasuo Matsunaka
- 25 Jul 2017 - 6 min De Lecture
Aerial view of a typhoon over the ocean

L’accident nucléaire de Fukushima, provoqué par le tsunami et le tremblement du Grand Est du Japon en mars 2011, a changé le cap de la politique énergétique du Japon. Ce fut aussi une sonnette d’alarme pour les habitants : l’urgence de trouver une solution plus sûre et plus durable à la production d’énergie était maximale.

Challenergy President and CEO Atsushi Shimizu
Atsushi Shimizu, Président et directeur général de Challenergy

À l’époque, Atsushi Shimizu travaillait comme ingénieur pour un grand fabricant d’électronique. L’accident de la centrale nucléaire l’a fortement ébranlé et il se souvient de son sentiment d’observer une crise, qui n’affectait pas uniquement le Japon, mais l’infrastructure énergétique mondiale. En réponse au drame naquit une invention hors du commun : un générateur apte à transformer les vents ravageurs d’un typhon en énergie utilisable. Il fonda alors son entreprise, Challenergy, en partant de cette idée et donna naissance à un prototype d’éolienne sans hélice.

« Les éoliennes conventionnelles ont été inventées en Europe, explique Atsushi Shimizu. Elles n’ont cessé de s’agrandir, comme des dinosaures, mais leur forme n’a pas évolué fondamentalement. Au Japon, le potentiel de génération d’énergie éolienne est énorme, mais les directions erratiques des vents et les typhons destructeurs ont largement freiné l’expansion des éoliennes dans cette région du globe. Dans ces conditions, j’ai senti qu’il y avait matière à innovation. »

Développer une grande idée

Peu après la catastrophe de 2011, Atsushi Shimizu a passé au peigne fin toute la littérature et tous les brevets existants sur l’énergie éolienne. Se basant sur ces recherches, il a proposé une idée nouvelle : un générateur à axes verticaux qui exploite l’effet Magnus, un phénomène selon lequel un cylindre, en rotation sous l’action du vent ou d’un courant d’eau, subit une force perpendiculaire à ce flux.Une balle liftée au tennis ou une frappe enveloppée au football lors d’un coup franc donne une idée de la manière dont agit ce phénomène sur les objets entraînés avec effet de rotation. Atsushi Shimizu a conduit ses premières expériences avec des axes en styrofoam et un ventilateur électrique comme source de vent. En un mois seulement, il a trouvé la solution à l’infortune de l’énergie éolienne au Japon.

Alors que les éoliennes conventionnelles fonctionnent avec des hélices, ce nouveau générateur est entraîné par trois cylindres verticaux en rotation. La forme unique de cette éolienne permet un contrôle de la vitesse de rotation, même dans un cyclone, afin que la production d’électricité soit continue. Cette conception répond aux écueils les plus fréquents rencontrés sur les turbines à hélices, telles les collisions d’oiseaux et les émissions de bruit à basse fréquence de la turbine en rotation.

« Je souhaitais apporter une solution aux conditions difficiles de production d’énergie éolienne au Japon et surtout créer une turbine qui résiste à la puissance d’un typhon, raconte Atsushi Shimizu. J’avais remarqué que la rotation des turbines conventionnelles prenait trop de vitesse sous l’effet des vents violents, ce qui risquait de provoquer le détachement des hélices ou la surchauffe de la génératrice. Je savais que tant que nous utiliserions des hélices, ces problèmes resteraient sans solution. L’autre problème était la turbulence.Les turbines à hélices doivent être placées face au vent, mais avec les axes verticaux, une telle limitation n’a pas lieu d’être. »

Dans son projet à axes verticaux, les cylindres en rotation placés sur l’éolienne génèrent l’effet Magnus, qui à son tour entraîne la rotation de tout le système. En régulant la vitesse de rotation des cylindres, la vitesse de la turbine peut être régulée à son tour, afin d’éviter une rotation trop forte dans les vents forts, qui pourrait endommager le moteur.

« Si la rotation des cylindres est complètement stoppée, l’effet Magnus disparaît, ce qui permet de stopper la turbine à tout moment, ajoute-t-il. La rotation des cylindres peut être ajustée à tout moment en cas de changement subit de la vitesse du vent. Ce qui signifie qu’un taux stable de production d’électricité peut être atteint même en cas de typhon. »

De l’idée à sa concrétisation

En mai 2011, l’entrepreneur dépose son premier brevet, qu’on lui délivre en 2013. Sa turbine à axes verticaux a décroché la première place du Tech Plan Grand Prix  en mars 2014, où il a rencontré Keiichi Hamano, président de Hamano Products Co. Intrigué par le travail d’Atsushi Shimizu, il a mis à sa disposition les ateliers incubateurs créatifs de sa société, Garage Sumida.

Afin de soulever les fonds nécessaires à la réalisation d’un produit parfaitement fonctionnel, « tous les modes de financement ont été étudiés » ajoute-t-il. En plus d’une campagne de financement participatif, le projet sera financé par la New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO), un groupe de recherche national qui soutient les entrepreneurs.

A 1-kilowatt field-test turbine installed in Nanjo City, Okinawa. 
Une éolienne de 1 kW mise à l’essai à Nanjo City, Okinawa. Avec l’aimable autorisation de Challenergy.

Atsushi Shimizu a également participé à l’Entrepreneur Impact Program d’Autodesk et s’est dit impressionné par le logiciel d’Autodesk. « Inventor est facile à utiliser et ses fonctionnalités de simulation additionnelles étaient d’une aide précieuse. Ces outils nous ont permis de conduire des analyses structurelles et des études de fréquence-résonance, à des niveaux de précision élevés. »

Tourné vers l’avenir

 Grâce aux essais et aux erreurs, il a amplement amélioré l’efficacité de son système, faisant de son ambitieux projet une avancée significative vers une production d’énergie suffisante. Après quelques essais avec une éolienne de 1 kilowatt et d’un diamètre de 3 mètres, installée à Nanjo City sur Okinawa, la production a été lancée.

« Les lieux publics tels que les hôpitaux, les écoles et les abris de secours nécessitent au moins 10 kilowatts d’électricité. Un générateur de 10 kilowatts exige un diamètre environ trois fois plus grand, soit environ 10 mètres. De telles dimensions constituent un défi en soi. Mon ambition est de pouvoir installer ces éoliennes sur la Tokyo Tower ou sur des sites olympiques, et de partager nos inventions avec toute la planète. »

Mais Atsushi Shimizu poursuit un dessein plus grand encore : « Je pense les implanter là où les typhons sont les plus violents. Les Philippines, cette autre île-pays qui comme le Japon subit de nombreux typhons chaque année, sont un endroit idéal pour la production d’énergie éolienne à grande échelle.Tourné vers l’avenir, je souhaite canaliser l’immense énergie que déploient les typhons afin de générer l’électrolyse d’eau de mer et générer de l’hydrogène que nous pourrions stocker. Aujourd’hui, je dois avouer que lorsque je consulte les cartes de vigilance, celles qui montrent où les typhons, les ouragans et les cyclones pourraient frapper, je vois des cartes de sources d’énergie qui d’ici 10 ans, pourraient alimenter une civilisation de l’hydrogène et des cyclones.

L’énergie éolienne va devenir l’œuvre de toute ma vie, ajoute-t-il. Dans les 20 prochaines années, j’espère construire des générateurs de la taille des géants à hélices d’aujourd’hui, dont l’évolution a exigé un siècle de recherche. Certains pourront penser que mes ambitions me rendent téméraire, mais je suis sûr d’être à la hauteur du challenge. Le nom de mon entreprise en est la marque. »

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