Pilotage d'une chaîne de conversion active et Analyse de Cycle de Vie pour le petit éolien

Doctorant : Adrien PREVOST

Laboratoire INSA : AMPERE

École doctorale : ED160 : EEA (Electronique, Electrotechnique, Automatique)

Cette thèse porte sur l’étude d’une chaîne de conversion active pour le petit éolien. Dans sa configuration initiale, l’éolienne étudiée est équipée d’une génératrice synchrone à aimants permanents raccordée à une batterie via un redresseur à diodes. Dans ce travail, nous proposons une modification du système visant à augmenter son efficacité : remplacer le redresseur à diodes par un redresseur actif, tout en questionnant les impacts environnementaux et sociétaux de cette modification. Dans la première phase du travail, nous avons réalisé un banc d’essais permettant d’émuler le comportement de l’éolienne, afin d’évaluer sa performance en conditions stationnaires et dynamiques. Nous avons ensuite modélisé le système génératrice-convertisseur dans le but de proposer une loi de commande. Pour ce faire, nous avons établi puis validé expérimentalement un modèle réluctant et un modèle par éléments finis de la génératrice. Nous avons ensuite proposé une loi de commande du système avec un redresseur actif qui a montré des gains de performance significatifs en comparaison avec la configuration classique de redresseur à diodes. Nous avons notamment montré que la stratégie pouvait se passer de capteur mécanique de position grâce à un observateur tout en étant robuste aux incertitudes du modèle. Du point de vue environnemental, une Analyse de Cycle de Vie (ACV) du système a montré que les parties les plus impactantes étaient la structure du mât et les batteries. Nous avons proposé un cadre de pensée unifié pour considérer l’optimisation technico-environnementale du système. Enfin, nous avons étudié la communauté du petit éolien auto-construit en France pour comprendre quel effet pourrait avoir l'introduction d'un redresseur actif sur l'appropriation de l'éolienne.

Rigid inclusions under wind turbine foundation: experimental behaviour and numerical studies

Doctorant : Adnan SAHYOUNI

Laboratoire INSA : GEOMAS

Ecole doctorale : ED162 MEGA

Les éoliennes terrestres ont une durée de vie de 20 à 25 ans. Après cette période, l'exploitant est confronté au problème du rééquipement du parc. La question est d'autant plus explosive qu'un tiers des éoliennes terrestres en Europe ont atteint la fin de leur durée de vie. D'autre part, la technologie des éoliennes est en constante évolution. Aujourd'hui, la puissance du matériel tend à augmenter de manière significative, ainsi que la hauteur du mât. Cela génère des forces accrues à la base du mât. La semelle de fondation en béton armé n'est plus adaptée aux nouvelles contraintes selon les codes usuels. La solution actuellement envisagée est de déconstruire complètement la semelle en béton armé et de reconstruire une semelle plus lourde. FEDRE (Fondations d'Eoliennes Durables et REpowering) est un projet de recherche impliquant le laboratoire GEOMAS de l'INSA de Lyon, la société Menard et d'autres partenaires industriels. L'objectif de ce projet est de trouver des solutions pour la réutilisation des fondations existantes lors des phases de repowering, lorsqu'une éolienne est remplacée par une nouvelle machine potentiellement plus puissante. L'intérêt de la recherche du projet est d'étudier la complexité du transfert de la charge du vent cyclique, ainsi que l'effet mécanique de la structure sur le sol renforcé par des inclusions rigides, type CMC, en simplifiant le mécanisme complexe du système par l'étude de ses composants individuels. La recherche est divisée en trois domaines principaux : (1) l'instrumentation d'une fondation d'éolienne de nouvelle génération basée sur des CMC, (2) la modélisation numérique tridimensionnelle et non linéaire par la méthode des éléments finis en utilisant les données calibrées par l'instrumentation, et (3) le développement d'un macro-élément multi-échelle pour un sol renforcé par des inclusions rigides sous charge axiale, horizontale et un moment de renversement est développé et validé numériquement puis expérimentalement.

Cédric Philibert sera l'invité d'Hespul mercredi prochain à la Maison de l'Environnement pour échanger sur la difficile appropriation de l'énergie éolienne par les français, suite à la publication récente de son livre.

Il apporte ainsi des réponses documentées aux interrogations légitimes du public, mais pourfend également une vaste entreprise de désinformation, une coalition d’intérêts économiques ou purement politiques.

Avec également Marc Jedliczka d'Hespul, Eric Sellin du département génie électrique de l'INSA Lyon et un représentant de la FNE Rhône.

Entrée gratuite sans inscription, jauge limitée à 100 personnes.

About twenty years ago, the first French wind turbines flourished on the hills in the south and the great plains in the north of the country. Today, wind power is the second largest primary source of renewable energy. However, after twenty years of operation, wind farms are in danger of becoming obsolete, causing economic and environmental problems. The FEDRE¹ project aims to optimise the foundations of existing wind turbines in the face of the constraints imposed by new equipment, which is more powerful than a few years ago. Meeting with Laurent Briançon, associate professor at laboratoire GEOMAS (Geomechanics, Materials, Structure) and scientific director of the project.

As onshore wind turbines have a lifespan of between twenty and twenty-five years, the problem of re-equipment is beginning to emerge on French wind farms. For wind farm operators, there is an alternative way to increase energy supply without installing additional wind turbines: ‘repowering’ consists of replacing old equipment with more powerful models. ‘As we will soon reach the maximum number of wind turbines that can be installed in France, the manufacturers propose increasing the power to avoid building new ones, but there are technical constraints to this’, explains Laurent Briançon.

Made up of a rotor, a nacelle and a mast, a conventional on-shore wind turbine² rests on a circular reinforced concrete base with a diameter of about twenty metres. The new equipment offered by repowering is larger, heavier and, above all, more of a burden on the foundation. ‘The current proposed solution to replace the equipment is to deconstruct the entire reinforced concrete footing to build a stronger one to accommodate the new masts. Our team is working to adapt this new equipment to the existing foundations to avoid this costly and environmentally unfriendly solution. It should be noted that the construction of a foundation alone accounts for 10% of the total cost of the wind turbine, and the used concrete blocks are neither reusable nor recyclable because of their scrap density. The tonne of cement needed to manufacture the new footing represents almost 900kg of carbon dioxide. Imagine the number multiplied by the 8000 or so wind turbines installed in France!’ 

In the next ten years, 50% of Europe's wind farms will have to be re-equipped. The FEDRE project team hopes to participate in improving the integration of wind power in the energy landscape and to improve the competitiveness of the sector. ‘If our solution is viable, we would like to set up an economic interest grouping with the consortium we have formed. The share of renewable energies in the world is still too low compared to fossil fuels. We hope to be able to participate in cleaner repowering of wind turbines’, concludes the laboratoire GEOMAS researcher.

¹ Foundations of Sustainable Wind Turbines and Repowering

2 An onshore wind turbine is by definition installed on land and differs from offshore wind turbines installed at sea.