Récupération d'énergie houlomotrice à partir de polymères électroactifs – SEASEA

Ce projet multidisciplinaire est centré sur la conversion d’énergie mécanique en utilisant des polymères électroactifs pour réaliser des générateurs houlomoteurs aux performances améliorées. Le consortium supporté par la société SBM Offshore, leader européen sur le marché des générateurs houlomoteurs diélectriques, vise clairement la seconde génération de générateurs aux performances améliorées : efficacité énergétique, durée de vie, intégration à l’environnement.
Partant du nano-objet pour aboutir à une structure mécanique viable, le consortium cherche à développer des méthodes et des procédés qui seront mis en œuvre dans les technologies futures de l’énergie et vise également la réalisation d’un prototype fonctionnel de laboratoire. La démarche scientifique englobe :
- Le développement de procédés de fabrication quasi-industriels de matériaux actifs optimisés.
- Des méthodes d’optimisation de création et d’insertion de charges hybrides dans une matrice polymère.
- Des spécifications pour un procédé de fabrication industriel de films polymères électroactifs
- Une méthodologie de conception de structure de conversion optimisée.
- Une analyse de la fiabilité et des défaillances de la structure accompagnée de spécifications pour la réalisation de générateurs de grandes tailles.
- La réalisation d’un prototype fonctionnel de laboratoire constituant un module d’une ferme énergétique.

Le résultat principal marquant est le développement d’un procédé industrialisable de mise en œuvre d’électrodes fortement conductrices, procédé propre et reproductible. Associer déformation, haute conductivité avec un procédé propre et maitrisé constitue une première mondiale.

Un autre résultat original est le développement d’électrodes en spray. Prometteur et novateur sous réserve de conforter la reproductibilité, l’industrialisation et les hautes conductivités

La recherche amont à vocation industrielle réalisée dans le projet SEASEA conduira à terme (>15ans) au développement de fermes énergétiques au large de nos côtes. Dans un avenir plus proche, l’impact scientifique et économique sera visible par :
- La maîtrise de technologies et savoirs (mise en œuvre de polymères, conception de générateurs houlomoteur) transférables au secteur industriel.
- La mise en place de programmes de collaborations entre les partenaires du projet SEASEA et des partenaires industriels ou institutionnels sur des projets dit plus aval.
- La possibilité de générer de l’emploi localement par les sous-traitances associées au projet.

Un poster a été présenté à la conférence européenne EuroEAP qui s’est tenue à Copenhague au mois de juin 2016 et qui rassemble les scientifiques européens mais également du monde entier sur les applications des polymères électroactifs. Nous avons présenté les avancées de nos travaux dans l’élaboration des électrodes conductrices destinées aux générateurs houlomoteurs. Des résultats particulièrement originaux de mesures électriques sous contrainte mécanique ont complété cette présentation.

Les énergies marines constituent une filière stratégique des énergies renouvelables pour diversifier et compléter le mix énergétique national. Actuellement, la France mise sur des technologies proches du stade industriel : l’éolien offshore et l’hydrolien. A des stades de recherche plus amont, des démonstrateurs de systèmes de récupération de l’énergie houlomotrice basés sur une conversion hydraulique peinent à se développer du fait de problèmes de fiabilité. Le captage de ce gisement d’énergie houlomotrice pourrait trouver un nouvel essor grâce au développement de concepts en rupture basés sur des technologies innovantes et économiquement viables : les polymères électroactifs (EAP). Basés sur la déformation d’un EAP qui joue le double rôle de capter l’énergie houlomotrice et de la convertir en énergie électrique, ces générateurs ouvrent des perspectives de développement intéressantes car ils s’affranchissent d’un absorbeur mécanique (PTO) à l’origine de nombreuses défaillances des systèmes houlomoteurs. La société SBM Offshore a misé sur cette technologie en rupture et a dévoilé en première mondiale en 2010 une preuve de concept de générateur houlomoteur sur ce principe. Le défi du projet SEASEA est d’optimiser ces premiers convertisseurs en amplifiant cette conversion d’énergie propre et en les rendant plus fiables. Parmi les challenges identifiés pour la réalisation de générateurs EAP de seconde génération, la disponibilité de matériaux plus performants pour convertir l’énergie mécanique en énergie électrique est au cœur des préoccupations. Partant du nano-objet pour aboutir à une structure mécanique viable, le consortium mis en place (G2Elab, IMP, LaMCoS, MSSMAT, SBM Offshore) cherche à développer des méthodes et des procédés qui seront mis en œuvre dans les technologies futures de l’énergie houlomotrice mais vise aussi la réalisation d’un prototype fonctionnel de laboratoire.
Notre stratégie est basée sur l’incorporation de renforts hybrides nano/micro au sein d’une matrice silicone pour (i) réaliser des électrodes conductrices souples et (ii) améliorer les propriétés du matériau actif. Le composite ainsi créé devra conserver des propriétés élastiques répondant à l’application : une optimisation dans la géométrie des micro/nano objets et leur nature chimique ainsi qu’un travail sur le procédé de mélange au sein de la matrice polymère seront menés en ce sens. Un objectif affiché est la réalisation d’un monolithe électrode-EAP-électrode à partir de procédés compatibles avec une production à grande échelle (banc d’enduction) : pressage ou coulée gravitationnelle. Modélisations thermodynamiques et expérimentations se complèteront pour déterminer les relations structures/propriétés de ces composites afin d’obtenir un matériau optimisé pour la conversion d’énergie.
Parallèlement, des structures hybrides pouvant allier plusieurs matériaux actifs seront développées pour proposer un concept innovant pour le captage et la transformation de l’énergie. La répartition des contraintes au sein de la structure de conversion, son amortissement interne, son couplage avec l’environnement fluide permettront de maximiser l’énergie récupérable mais aussi de prévenir toute défaillance d’origine mécanique ou électrique. La rigidité mécanique et diélectrique des structures ainsi réalisées sera alors évaluée à partir de tests permettant de mettre en lumière les problématiques liées au scale-up (patterning des électrodes, auto-cicatrisation). Un prototype fonctionnel sera alors réalisé et testé au niveau de ses performances et la fiabilité de cette nouvelle génération de générateurs sera éprouvée.
Du fait des performances attendues des matériaux et des structures réalisées, le projet SEASEA concrétisera l’entrée des générateurs houlomoteurs comme une voie alternative ou complémentaire aux dispositifs offshore actuels avec l’avantage indéniable d’une maintenance sur site réduite et un impact écologique moindre.