Le NREL a breveté des actionneurs d’énergie houlomotrice intelligents, flexibles et robotiques composés presque entièrement d’élastomères diélectriques.

Une nouvelle catégorie de convertisseurs d’énergie élastiques est en train d’émerger, avec la capacité de capter l’énergie à partir d’une variété de mouvements différents. Le National Renewable Energy Laboratory (NREL) fait pression pour les déployer, d’abord dans une série de conceptions étranges et flexibles de l’énergie des vagues.

Selon le NREL, ses conceptions DEEC-Tec (distributed embedded energy converter technologies ou technologies de conversion d’énergie intégrées et distribuées) seront placées dans l’eau, laissant les vagues les déformer dans toutes les directions et récoltant l’électricité à partir de « presque tous les mouvements physiques ou changements de forme dynamiques ».

Plutôt que d’actionner des turbines ou de se combiner pour actionner un générateur externe, ils seront construits à l’aide de nombreux petits générateurs flexibles, chacun agissant un peu comme une fibre musculaire pour produire son propre courant.

Un tel type de générateur utilise des élastomères diélectriques, qui ont fait leur apparition à la fin des années 1990. Selon une étude de 2020 publiée dans Advanced Intelligent Systems, ils consistent essentiellement en une couche de matériau diélectrique élastique et déformable, recouverte d’électrodes pour former un condensateur variable.

Les générateurs élastomériques émergents peuvent récolter de l’énergie à partir de presque tous les types de mouvements.

Ils ont leur capacité la plus faible à l’état non contraint, et toute déviation de leur état d’origine augmente leur capacité, qu’il s’agisse d’étirement, de torsion, de compression ou de flexion dans n’importe quelle direction. Au moment de la déformation maximale, ils sont amorcés par une charge à travers les électrodes, ce qui augmente leur capacité au niveau de leur état non contraint, et l’élastique travaille contre la charge électrique pour les ramener à leur état de plus faible capacité, produisant plus d’énergie que celle utilisée pour créer la charge en premier lieu.

Comme avec les générateurs de type turbine, ces choses peuvent fonctionner dans les deux sens, soit en récoltant de l’énergie à partir de forces de déformation fournies par l’extérieur, soit en dépensant de l’énergie pour fonctionner comme des actionneurs. Ils peuvent également agir essentiellement comme des capteurs, en fournissant un retour constant sur la mesure dans laquelle ils sont étirés de leur état normal et en donnant essentiellement à un cerveau/unité de batterie des informations à partir desquelles déduire la quantité de charge à appliquer à un moment donné.

En 2019, un générateur d’élastomère diélectrique sous la forme d’une membrane en caoutchouc à l’extrémité d’un tube à air a été testé en Écosse. Il a démontré une capacité à récolter de l’énergie à la fois lorsqu’une forte pression d’onde pousse l’air vers le haut dans le tube, gonflant le caoutchouc un peu comme un ballon, et lorsqu’une faible pression d’onde aspire la colonne d’air et entraîne la membrane vers le bas avec elle.

Mais les plans du NREL vont beaucoup plus loin. Les vagues font bien plus que monter et descendre, elles produisent un mouvement presque aléatoire dans à peu près toutes les directions. Les générateurs DEEC-Tec auront le moins de structure solide possible. Ils seront presque entièrement flexibles, ce qui leur permettra de récolter l’énergie cinétique dès qu’elle se présentera.

Les installations de type « Flapper » ou « Clapet » au fond de la mer pourraient générer de l’énergie à partir de mouvements de flexion et de torsion, ou se positionner automatiquement et robotiquement pour tirer parti des conditions.

Une structure bancale et flexible construite à partir de centaines ou de milliers de minuscules générateurs en élastomère, chacun nécessitant des applications précises de charge à des moments précis, pourrait certainement être difficile à contrôler. Mais il n’est pas déraisonnable de penser qu’un système d’apprentissage profond de l’IA pourrait s’en sortir et s’adapter rapidement aux conditions changeantes.

Et la nature de ces élastomères diélectriques, à la fois capteurs, générateurs et actionneurs, donnerait au système de contrôle une capacité sans précédent à remodeler la structure comme un robot souple, chaque fois qu’il y a un avantage à prendre une forme différente.

L’équipe est tout aussi heureuse d’intégrer des générateurs d’élastomères diélectriques ioniques, des générateurs magnétostrictifs et tout autre élément pertinent pour un projet donné, éventuellement en combinaison.

Un poids lourd maintenu dans un ballon rempli de générateurs flexibles en forme de grilles pourrait récolter un mouvement inertiel dans n’importe quelle direction, soulignant la flexibilité de ces conceptions.

Le NREL propose des modèles en forme de mur et de serpent pour capter l’énergie des vagues, ainsi qu’un ballon lourd à l’intérieur d’un ballon rempli de générateurs élastiques à grille, qui pourrait capter l’énergie inertielle du mouvement ainsi que des déformations de la forme du ballon. Selon l’équipe, ce système pourrait également être utilisé à terme dans des vêtements de récupération d’énergie, voire dans des bâtiments ou des routes.

Selon l’équipe du NREL, ces dispositifs peuvent être fabriqués facilement à partir de matériaux durables et peu coûteux. Ils offrent un certain degré de redondance, en ce sens que même si plusieurs générateurs d’une structure donnée se brisent et cessent de fonctionner, il y en aura toujours des centaines d’autres en ligne. Dans l’ensemble, l’équipe espère prouver que ce type de générateur d’énergie houlomotrice est bon marché, sûr, nécessite peu d’entretien, est évolutif et est capable d’apporter une contribution valable au réseau énergétique.

De nombreuses inconnues subsistent, notamment les matériaux, les transducteurs et les conceptions qui permettront d’obtenir les meilleurs rendements de conversion de l’énergie, la durabilité et la résistance à la nature corrosive de l’eau de mer.

Il est encore tôt, mais avec un nouveau brevet en poche, l’équipe DEEC-Tec du NREL, dirigée par l’ingénieur principal Blake Boren, s’efforce de développer le concept, à la fois en interne et avec des collaborateurs externes et l’industrie. Nous sommes fascinés de voir ce qu’ils vont trouver.

https://www.nrel.gov/news/program/2022/patented-wave-energy-technology-gets-its-sea-legs.html

https://uspto.report/patent/grant/11,401,910

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aisy.202000125