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.

Il y a une vingtaine d’années, les premières éoliennes françaises fleurissaient sur les collines du sud et les grandes plaines du nord du pays. Aujourd’hui, l’éolien est la deuxième source primaire d’énergie renouvelable. Mais après vingt années de fonctionnement, l’obsolescence guette les parcs, engageant problématiques économiques et écologiques. Le projet FEDRE¹ a pour objectif d’optimiser les fondations d’éoliennes déjà existantes face aux contraintes imposées par le nouveau matériel, plus puissant qu’il y a quelques années. Rencontre avec Laurent Briançon, maître de conférence au laboratoire GEOMAS et directeur scientifique du projet.

Les éoliennes terrestres ayant une durée de vie comprise entre vingt et vingt-cinq ans, la problématique de rééquipement commence à émerger dans les parcs éoliens français. Pour les opérateurs de parcs, une alternative se présente pour augmenter l’offre énergétique sans implanter d’éoliennes supplémentaires : le « repowering » consiste à remplacer les anciens matériels par des modèles plus puissants. « Le nombre d’éoliennes implantables sur le territoire étant bientôt atteint, les constructeurs proposent d’augmenter la puissance pour éviter d’en construire de nouvelles, mais cela implique des contraintes techniques », explique Laurent Briançon.

Composée d’un rotor, d’une nacelle et d’un mât, une éolienne on-shore² classique repose sur une base circulaire en béton armé d’une vingtaine de mètres de diamètre. Le nouveau matériel proposé par le repowering est plus grand, plus lourd mais surtout, plus contraignant pour la fondation. « La solution actuelle envisagée pour remplacer le matériel est de déconstruire la totalité de la semelle en béton armé pour en construire une plus massive pour accueillir les nouveaux mâts. Notre équipe travaille à adapter ces nouveaux matériels sur les fondations déjà existantes pour éviter cette solution coûteuse et peu écologique. Il faut savoir que la construction d’une fondation représente à elle seule 10% du coût total de l’éolienne, et les blocs de béton usagés ne sont ni réutilisables, ni recyclables en raison de leur densité en ferraillage. La tonne de ciment nécessaire à la fabrication de la nouvelle semelle représente près de 900kg de dioxyde de carbone. Imaginez le nombre multiplié aux quelques 8000 éoliennes implantées en France ! »

Pour optimiser les fondations existantes, plusieurs pistes sont envisagées. L’équipe du projet FEDRE travaille à une conception évolutive. « Nous profitons de la pluridisciplinarité de notre équipe composée de chercheurs du laboratoire GEOMAS, de doctorants, de techniciens et d’entreprises du secteur. Depuis la fondation au mât de l’éolienne, nous avons une vision globale pour gérer les anciennes éoliennes et modéliser les nouvelles, du sol au ciel », explique le mécanicien des sols. Laurent explique les étapes du projet de recherche. « Nous avons déjà instrumenté une éolienne d’un parc implanté à Arras, dans le nord de la France. Grâce à des capteurs optiques très puissants, nous allons étudier pendant une année les différentes charges exercées par l’éolienne sur la fondation. Nous allons aussi évaluer la fatigue du sol, prendre en compte les mouvements des pales rotatives… Les anciennes fondations en béton précontraint devront supporter les 1400 tonnes des nouveaux mâts. Ensuite, nous modéliserons et maquetterons la nouvelle éolienne. C’est un beau défi. »

Dans les dix années à venir, 50% du parc éolien européen devra être rééquipé. L’équipe du projet FEDRE espère participer à l’amélioration de l’intégration de l’éolien dans le paysage énergétique et améliorer la compétitivité de la filière. « Si notre solution est viable, nous souhaiterions monter un groupement d’intérêt économique avec le consortium que nous avons formé. La part des énergies renouvelables dans le monde est encore trop basse face aux énergies fossiles. Nous espérons pouvoir participer à un repowering plus propre des éoliennes », conclut le chercheur du laboratoire GEOMAS.

¹ Fondations d’Éoliennes Durables et Repowering

2 Une éolienne terrestre, ou onshore, est par définition installée sur la terre ferme et se distingue des éoliennes offshore installées en mer.