Les éoliennes prennent le large

Les dernières avancées en matière de technologie des éoliennes sont liées à des roulements et des systèmes de maintenance conditionnelle innovants. SKF a contribué au développement d’une nouvelle génération de grandes turbines pour applications en pleine mer ou à terre.

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Résumé

Dans les années à venir, la production d’électricité d’origine éolienne va croître considérablement. D’ici 20 ans, jusqu’à 10 % des besoins mondiaux en électricité pourraient provenir de cette source d’énergie. D’énormes progrès ont été réalisés dans l’industrie éolienne, considérée comme écologiquement durable. Les dernières avancées ont permis d’augmenter la puissance de la turbine jusqu’à 5 MW et des progrès importants ont été faits en matière de fiabilité et d’allègement de la maintenance, points cruciaux pour les éoliennes qui sont souvent dans des lieux inhospitaliers et reculés, notamment en pleine mer. SKF, qui est devenu l’un des grands fournisseurs de ce secteur, a développé certains composants clés de la turbine.

Les dernières avancées en matière de technologie des éoliennes sont liées à des roulements et des systèmes de maintenance conditionnelle innovants. SKF a contribué au développement d’une nouvelle génération de grandes turbines pour applications en pleine mer ou à terre.

L’électricité éolienne est de plus en plus attrayante car elle constitue une source d’énergie propre. D’ici 20 ans, on prévoit que 10 % de la production d’électricité sera d’origine éolienne. SKF travaille en étroite collaboration avec les leaders mondiaux du secteur au développement de turbines à haut rendement.

Dans les environnements extrêmes et souvent isolés où se situent généralement les parcs éoliens, notamment en pleine mer, la robustesse et une maintenance réduite avec de longs intervalles d’entretien sont des impératifs de conception. L’énergie éolienne inspire davantage confiance et le rendement des installations augmente. Les turbines de la dernière génération sont capables de fournir 5 MW – un maximum pour le moment ; SKF a travaillé avec le constructeur allemand REpower à la conception d’une nouvelle machine pour les applications offshore. SKF a fourni les roulements du rotor, associé à un système d’écrou de blocage innovant, la maintenance conditionnelle et la lubrification.

Les parcs éoliens équipés de turbines de cette taille sont en mesure de fournir les niveaux de performance d’une centrale classique, soit assez d’énergie pour couvrir les besoins de 4 500 foyers de trois personnes. En raison de sa construction modulaire et de sa souplesse logistique, l’éolienne de 5 MW s’installe aussi bien en pleine mer qu’à terre. La version offshore est conçue en fonction des exigences de la haute mer. Elle comprend par exemple une utilisation redondante de composants individuels qui assure une disponibilité maximale, un système de contrôle permanent et une protection anticorrosion optimisée.

 

Les possibilités d’installation d’éoliennes à terre étant limitées, les applications offshore suscitent un intérêt croissant. Pour ce type d’applications, les éoliennes doivent être fiables, demander peu de maintenance, avoir de longs intervalles d’entretien. Le fort potentiel éolien de la mer est mis en balance avec les hautes exigences techniques requises par le fonctionnement offshore.

Pour les applications offshore, la turbine est équipée d’un système de maintenance conditionnelle qui contrôle la température, le bruit et les vibrations. Ces paramètres permettent de surveiller l’état des composants (roulements et dentures du multiplicateur, roulements de la génératrice). Le diagnostic précoce du système de surveillance, permet la planification des opérations régulières de maintenance.

La turbine de 5 MW comprend un rotor de trois pales d’un diamètre de 126 m. En fonctionnement normal, la vitesse varie entre 6,9 et 12,1 t/min. Le multiplicateur est constitué d’une combinaison de trains planétaires et parallèles. Les roulements sont directement alimentés en huile par des systèmes de lubrification à filtration intégrée. Les roulements et engrenages ont été optimisés pour offrir un haut rendement et un bas niveau de bruit structurel. Le châssis est relié à la tour par un roulement d’orientation à quatre points de contact. En fonctionnement normal, la nacelle est maintenue en position par un frein. Des moto-réducteurs permettent à la nacelle d’osciller dans le vent.

 

La contribution de SKF concerne plus particulièrement le rotor, pièce essentielle de la turbine. Son guidage fait appel à un roulement à rouleaux toroïdaux CARB® qui assure de façon optimale la fonction palier libre, combiné à un roulement à rotule sur rouleaux. Cette combinaison assure une grande capacité de charge, un faible poids et tolère les défauts d’alignement. Le roulement CARB est le plus grand jamais fabriqué par SKF. Il a aussi fallu que la société crée un appareil de chauffage par induction de taille correspondante pour le montage. Cet appareil d’une puissance de
100 kVA (TIH 1000E/C950) a servi pour le roulement CARB d’un poids de 2 700 kg et le roulement à rotule sur rouleaux d’un poids de 3 320 kg. Deux paliers d’un poids approximatif de 8 000 kg chacun ont également été chauffés avec cet appareil.

Pour s’assurer que le montage de roulements réponde aux exigences de performance, celui-ci a été calculé avec le plus grand soin par les spécialistes SKF. Il s’agissait de fournir aux exploitants un système disposant des performances attendues et de définir les paramètres permettant de contrôler l’état des roulements en service. Les ingénieurs ont utilisé des programmes informatiques SKF de pointe pour analyser la distribution des charges, évaluer le niveau de contraintes et déterminer la durée en fatigue des roulements.

La fixation axiale des roulements a représenté un véritable défi. En effet, compte tenu de la grande taille de la turbine, l’utilisation d’écrous de fixation était exclue pour des raisons pratiques. Les ingénieurs SKF ont dû adapter le mécanisme de blocage pour y intégrer un écrou en deux parties, l’écrou SKF HMS. Ils ont mis au point un système de blocage qui ne nécessite pas de rainure dans l’arbre, d’où une conception générale plus robuste et une réduction des coûts de fabrication. Le système est facile à monter et à ouvrir pour les opérations de maintenance et de réparation et il n’y a pas de problème de corrosion de contact à la dépose.

La lubrification est un autre point important qui contribue à la fiabilité de la turbine et à l’allongement des intervalles d’entretien. SKF a une grande expertise en matière de lubrification (voir l’article « Lubrification : SKF combine ses forces à celles de Vogel » dans ce même numéro), particulièrement adaptée aux turbines éoliennes. SKF fournit la graisse LGEP 2 pour la lubrification de cette application.

 

Les coûts de maintenance représentent une dépense considérable pour cette industrie. Jusqu’à 25 % des coûts de l’énergie produite sont consacrés à la maintenance. Les techniques utilisées dans les autres industries ne sont pas applicables ici.

Soucieuse de réduire les coûts de ses clients, SKF a développé le système WindCon, système de maintenance conditionnelle pour éoliennes qui a été lancé en 2002. Il permet aux exploitants de turbines commerciales d’améliorer la productivité et d’être avertis précocement des problèmes. Ce système comprend une unité de contrôle intelligente (IMU) qui mesure en continu les paramètres les plus critiques de la machine, comme l’état des roulements, la qualité du lubrifiant et la température de la génératrice. Les données peuvent être transmises par Internet à des spécialistes qui ne sont pas sur place, aux ingénieurs SKF Reliability Systems par exemple, pour optimiser l’efficacité et la planification des interventions. Quelques centaines de systèmes ont déjà été commandés depuis son lancement.

Avec le REpower 5 MW, la technologie SKF, mondialement reconnue, s’est enrichie d’une nouvelle dimension. De par sa taille et sa productivité, l’éolienne 5 MW établit de nouveaux standards en matière de rentabilité.

Jusqu’ici, la turbine 5 MW fonctionne sans problème et il y a déjà des projets d’installation l’année prochaine de nouvelles unités à terre, en zone côtière. Les premières turbines doivent fournir de l’électricité en mer à partir de 2006. Pour SKF, ces développements ouvrent de nouvelles perspectives sur un marché à fort potentiel de croissance.

L’exemple de l’industrie éolienne illustre parfaitement la façon dont SKF travaille avec ses clients. C’est ainsi qu’au fil des années SKF s’est forgé une position de leader en tant que fournisseur de l’industrie des roulements, des joints, des paliers, de la lubrification, des accouplements, des boulons à haute résistance, des simulations et calculs.