Tirer de l’énergie des drapeaux

Physique Des chercheurs français développent des technologies pour générerde l’électricité à partir d’étendards claquant au vent

Ils pourraientservir à rechargerdes batteriesou à alimenterdes capteurs dans l’environnement

Les éoliennes ne sont pas les seuls systèmes à pouvoir tirer de l’énergie du vent. Un «simple» drapeau claquant dans l’air peut générer de l’électricité. Une équipe française de l’Ecole polytechnique et de l’Ensta ParisTech vient, dans la revue Physical Review Applied du 29 janvier, de montrer comment en décupler l’efficacité.

Depuis une dizaine d’années, plusieurs groupes ont étudié la possibilité d’obtenir du courant à partir des ondulations d’une membrane flexible dans un fluide, dans l’air ou dans l’eau. Des céramiques piézoélectriques, pour lesquelles une déformation mécanique s’accompagne de l’apparition d’une tension, sont parmi les matériaux les plus utilisés.

Les simulations publiées dans Physical Review Applied confirment, bien sûr, qu’il faut un vent minimum pour générer de l’électricité. Ils notent aussi que la vitesse du vent augmente la fréquence des oscillations et donc l’efficacité du dispositif, mais pas de façon proportionnelle. A certaines vitesses, les oscillations du drapeau sont plus chaotiques.

Surtout, ils démontrent pour la première fois que le battement du drapeau et le rendement ne dépendent pas seulement de la bannière et du vent, mais aussi du circuit électrique auquel il est relié. En modifiant les propriétés de ce dernier, ils peuvent même augmenter l’efficacité générale. «Dans certaines conditions, nous avons réussi à faire passer le rendement de 0,1 à 6% par exemple», notent Sébastien Michelin, de l’Ecole polytechnique, et Olivier Doaré, de l’Ensta ParisTech.

Le système mécanique et le système électrique sont en réalité couplés. S’il est évident que la membrane vibrante possède une fréquence de résonance, c’est-à-dire une fréquence pour laquelle l’amplitude des oscillations est maximale, le même concept existe pour un circuit électrique constitué d’une bobine et d’un condensateur. Les effets sont maximaux dans le circuit pour une certaine fréquence du courant alternatif. Finalement, la situation d’ensemble est idéale lorsque le circuit électrique impose sa fréquence au drapeau, les oscillations de ce dernier étant comme «accrochées» à celle du circuit. «Nous nous attendions à augmenter l’efficacité, mais pas à cet accrochage en fréquence. Pourtant, ce genre de phénomène est assez générique: lorsque sont couplés deux oscillateurs, l’un actif comme le drapeau, l’autre passif comme le circuit, alors le second impose sa fréquence à l’autre», rappelle Sébastien Michelin.

Du coup, pour améliorer le rendement, les ingénieurs n’en sont pas seulement réduits à modifier le matériau du drapeau. Ils peuvent aussi jouer sur l’électronique. Même quasiment en berne par faible vent, un drapeau pourrait délivrer quelques électrons. «En influençant la dynamique par l’électronique, afin de s’adapter à l’environnement, nous augmentons la plage d’utilisation de ces systèmes», ajoute Sébastien Michelin.

L’équipe est optimiste pour la suite, car des travaux ont débuté pour améliorer le circuit électrique actuel, qui est des plus simples. «Ils ne sont pas les premiers à avoir eu l’idée des drapeaux, mais ils sont les premiers à en avoir proprement détaillé le fonctionnement», salue Christophe Eloy, enseignant chercheur à l’Ecole centrale de Marseille.

En réalité, ces technologies, développant une puissance de moins de 1 watt, ne remplaceront pas les éoliennes, environ un million de fois plus puissantes. Mais ils pourraient servir à alimenter naturellement des capteurs dans l’environnement ou à recharger des batteries. Plutôt que des membranes battantes, d’autres groupes envisagent de récupérer de l’énergie de câbles oscillants, fixés à une ou deux extrémités.

Néanmoins, pour des installations grandeur nature, des questions restent en suspens, comme le nombre et la position des drapeaux. S’ils étaient synchrones, cela serait parfait. Sauf que, en 2009 par exemple, Christophe Eloy et ses collaborateurs ont montré que, dans certaines conditions, sur trois drapeaux côte à côte, seuls deux oscillent alors que celui du milieu reste quasi immobile!

Même quasiment en berne par faible vent, un drapeau pourrait délivrer quelques électrons