La proportion d’application de fibre de carbone thermoplastique dans les projets éoliens augmentera-t-elle considérablement ?
Actuellement, le développement de l’industrie de la fibre de carbone en Chine se heurte à des goulots d’étranglement. Il existe une offre excédentaire de capacité de production de fibres de carbone bas de gamme, ce qui a entraîné une baisse significative des prix des produits standard en fibre de carbone en raison de l'impact sur les industries en aval. Parallèlement, les fibres de carbone de moyen et haut de gamme ne peuvent pas être produites à grande échelle en raison de difficultés techniques plus élevées, ce qui entraîne une demande non satisfaite dans des domaines haut de gamme tels que l'aérospatiale. Pour équilibrer l'offre et la demande, certaines études suggèrent que l'essor constant de l'industrie éolienne pourrait absorber une partie de la capacité de production de fibre de carbone. Mais quelle est la situation actuelle du secteur éolien ? Nécessite-t-il des composites en fibre de carbone bas de gamme ou moyen à haut de gamme ?
Introduction à la fibre de carbone et à la matrice de résine dans les pales d'éoliennes
Les éoliennes sont généralement constituées de composants tels que le rotor, le générateur, le mécanisme de lacet, la tour, les dispositifs de sécurité limitant la vitesse et les systèmes de stockage d'énergie. Le rotor est composé de plusieurs longues pales, ce qui est au cœur de cette discussion. Les pales d'éoliennes sont principalement composées de matériaux de noyau, de matériaux de matrice, de matériaux de renforcement et de revêtements de surface. Le coût des matières premières nécessaires à la production d'une seule pale peut représenter jusqu'à 70 %, comprenant principalement les fibres de renforcement, les résines matricielles, les matériaux d'âme, les adhésifs structurels, les métaux et les accessoires.
Actuellement, les matériaux de renforcement utilisés dans les pales d’éoliennes sont principalement la fibre de verre et la fibre de carbone. À mesure que la taille des éoliennes augmente, la longueur des pales des éoliennes augmente également, ce qui entraîne des exigences plus élevées en matière de rigidité globale. Les performances des renforts en fibre de verre ont progressivement atteint un goulot d'étranglement, à quel point les avantages en termes de performances mécaniques de la fibre de carbone ont commencé à émerger. Cette tendance de développement a permis à la fibre de carbone et aux composites de se démarquer dans l'industrie de l'énergie éolienne et, grâce à leur avantage inhérent en matière de légèreté, ils pourraient remplacer la fibre de verre à l'avenir.
Les recherches menées dans le cadre de « Application et développement de composites dans les pales de grandes éoliennes » indiquent que le module de la fibre de carbone est 3 à 8 fois supérieur à celui de la fibre de verre, tandis que sa densité est environ 30 % inférieure. Cela permet de répondre aux exigences à la fois de mise à l’échelle et d’allègement des pales. Selon les projections, le taux de pénétration de la fibre de carbone dans les poutres principales des éoliennes terrestres et offshore augmentera progressivement, et il existe un besoin important de grandes pales d'éoliennes utilisant des poutres principales en fibre de carbone.
Quant à la résine matricielle des pales d’éoliennes, la résine époxy et la résine polyester insaturée sont les principaux matériaux utilisés. Parmi celles-ci, la résine époxy est actuellement le composant principal des composites thermodurcissables en fibre de carbone en raison de sa moindre difficulté de préparation, de sa forme physique stable après moulage et de ses excellentes performances globales. Par conséquent, il est devenu un élément essentiel de l’industrie actuelle de la fibre de carbone. En outre, des recherches sur diverses résines ont révélé que les résines thermoplastiques ont également une compatibilité élevée avec la fibre de carbone et qu'elles sont plus propices au recyclage et à la réutilisation, ce qui en fait une direction importante pour le développement futur.
La fibre de carbone thermoplastique peut-elle remplacer la fibre de carbone thermodurcissable dans les pales d’éoliennes ?
Il existe de nombreux types de résines thermoplastiques, notamment le polyéther éther cétone (PEEK), le polyaryléther cétone (PAEK), le polyéther cétone (PEK), le sulfure de polyphénylène (PPS), le polyamide (PA) et le polyéther sulfone (PES). Les performances des composites thermoplastiques de fibres de carbone formés par ces résines combinées à des fibres de carbone varient considérablement. Par conséquent, pour remplacer largement la fibre de carbone thermodurcissable dans l’industrie éolienne, davantage de recherches et d’expériences sont nécessaires. Avant cela, comprenons d'abord les avantages et les inconvénients des fibres de carbone thermodurcissables et thermoplastiques.
1. Fibre de carbone thermodurcissable :
A. Processus de durcissement: Les fibres de carbone thermodurcissables subissent un processus de durcissement lors de la fabrication. Une fois durcis, ils ne peuvent pas être remodelés, ce qui n’est pas propice à une transformation secondaire et au recyclage.
B. Force et rigidité: Les fibres de carbone thermodurcissables présentent généralement une résistance et une rigidité supérieures à celles de certaines fibres de carbone thermoplastiques. De plus, leur résistance aux températures élevées et à l’usure présentent leurs propres avantages et inconvénients.
C. Fragilité: Par rapport aux fibres de carbone thermoplastiques, les fibres de carbone thermodurcissables peuvent être plus cassantes et plus sujettes aux dommages lors de l'utilisation réelle.
2. Fibre de carbone thermoplastique :
A. Recyclabilité: Un avantage significatif des fibres de carbone thermoplastiques est leur recyclabilité ; ils peuvent être fondus et remodelés plusieurs fois sans perte substantielle de propriétés mécaniques.
B. Temps de traitement: Le temps de traitement des fibres de carbone thermoplastiques est généralement plus court que celui des fibres de carbone thermodurcissables, et elles peuvent être traitées à l'aide de techniques de fabrication intelligentes.
C. Résistance aux chocs: Les fibres de carbone thermoplastiques démontrent une meilleure résistance aux chocs par rapport aux fibres de carbone thermodurcissables.
3. Comparaison des applications pratiques :
A. Coût: Les fibres de carbone thermoplastiques présentent des avantages en matière de transformation, avec des coûts inférieurs une fois la technologie mature, mais le coût élevé des matières premières reste un problème.
B. Maturité technologique: La technologie et les processus de fabrication des fibres de carbone thermoplastiques ne sont peut-être pas aussi matures que ceux des fibres de carbone thermodurcissables, car les premières ont un délai de développement plus court, mais elles recèlent un plus grand potentiel.
En résumé, même si les fibres de carbone thermoplastiques présentent des avantages significatifs dans certains domaines, le remplacement généralisé des fibres de carbone thermodurcissables dans les pales d’éoliennes nécessitera des recherches et développements supplémentaires.
La proportion d’application de fibre de carbone thermoplastique dans les projets éoliens augmentera-t-elle de manière significative ?
Actuellement, la proportion d’application de fibre de carbone thermoplastique dans les projets éoliens est assez faible et il n’est pas certain qu’elle augmentera de manière significative à l’avenir. En effet, les avantages offerts par les composites de fibres de carbone thermodurcissables, tels que des propriétés de légèreté, une résistance élevée et une rigidité élevée, répondent déjà aux exigences d'utilisation actuelles. Même les fibres de carbone bas de gamme peuvent fournir un support de performance adéquat, ce qui explique en partie pourquoi les fibres de carbone bas de gamme ont été introduites dans l'industrie de l'énergie éolienne pour équilibrer l'offre et la demande dans le secteur de la fibre de carbone.
Cependant, l’industrie de l’énergie éolienne se développe, tout comme celle de la fibre de carbone. Tout comme les performances des fibres de verre ont atteint un goulot d'étranglement, l'application des fibres de carbone thermodurcissables dans le secteur de l'énergie éolienne pourrait également rencontrer des limites à l'avenir. On recherchera peut-être des technologies de traitement plus rapides, des performances plus complètes des composites en fibre de carbone et des matrices de résine moins polluantes pour l'environnement. Ce sont précisément les domaines dans lesquels les fibres de carbone thermoplastiques excellent. C’est également la raison pour laquelle de nombreuses entreprises et institutions, tant au niveau national qu’international, s’engagent dans la recherche sur les fibres de carbone thermoplastiques.
