Des jauges HBM pour mesurer les charges sur des fondations d'éoliennes offshore

Des jauges et un systeme d'acquisition de données HBM ont été utilisés lors d'une expérience unique réalisée dans le parc éolien Westermeerwind aux Pays-Bas afin d'étudier l'effet amortisseur des fonds marins et les efforts agissant sur les éoliennes.

Pour rendre l'énergie éolienne plus rentable que l'énergie fossile, et pour des raisons de concurrence, les fournisseurs recherchent de nouveaux moyens permettant de fournir les mégawatts requis de manière aussi économique que possible lorsqu'ils construisent des parcs éoliens offshore. C'est ainsi que de nombreuses innovations techniques ont été mises en place ces dernières années dans les domaines des mâts, des turbines et des rotors pour obtenir ce résultat. Siemens Wind Power a lancé un projet afin d'acquérir plus d'informations sur l'interaction entre les fonds marins et les fondations d’éoliennes.

Les jauges HBM ont été utilisés lors d'une expérience unique réalisée dans le parc éolien Westermeerwind aux Pays-Bas afin d'étudier l'effet amortisseur des fonds marins sur les charges agissant sur les éoliennes. Le but était d'obtenir des paramètres d'entrée fiables afin de créer un process standardisé de conception de fondations d'éoliennes.

Siemens Wind Power est une nouvelle filiale du groupe Siemens AG depuis le 1er janvier 2017 et qui associe plusieurs divisions et acquisitions existantes de Siemens liées à l'énergie éolienne. Siemens Wind Power B.V. aux Pays-Bas ne cesse de grandir et emploie actuellement 120 personnes. L'entreprise assure l’entretien de parcs éoliens existants et se charge également de la gestion de projets et de l'ingénierie pour la construction de nouveaux parcs éoliens.

Grâce à sa collaboration avec l'université de technologie de Delft, Siemens Wind Power aux Pays-Bas est peu à peu devenu un centre de compétence dans le développement et la construction d'éoliennes. Ce centre est spécialisé dans le calcul des charges et la conception des mâts et fondations. La recherche liée au développement et à la fabrication des turbines est principalement effectuée par la branche danoise de l'entreprise.

« Dans le monde entier, l’énergie éolienne est devenue très populaire au cours de ces dernières décennies », explique Jeroen Bongers de Siemens Wind Power, Pays-Bas. De nombreuses éoliennes et parcs éoliens ont vu le jour aux Pays-Bas ces 25 dernières années. Actuellement, plus de 5 % de l’électricité produite aux Pays-Bas proviennent d’éoliennes. Nous sommes sur la bonne voie, même si le pays se situe encore loin sur le plan international. Le nouvel Accord sur l’énergie de 2015 a accordé une place importante à l’énergie éolienne. Quelque 4500 mégawatts au total doivent ainsi être installés au large des côtes néerlandaises dans les prochaines années, au niveau de Borssele et IJmuiden. »

Selon M. Bongers, l'un des inconvénients engendrés par cette rapide croissance est la concurrence toujours plus importante.

« De plus en plus de consortiums répondent aux appels d’offres, ce qui entraîne une pression sur les prix. En tout cas, c’est une bonne chose pour le gouvernement. Il y a quelques années, nous pensions que le coût de revient moyen du mégawatt serait de 100 euros en 2020, mais il est déjà descendu à 73 euros. Vattenfall a développé un nouveau parc éolien au Danemark avec un coût de revient inférieur à 50 euros par mégawatt. Topconsortium Kennis en Innovatie Wind op Zee (TKI-WoZ) a calculé qu’il est possible d’atteindre d’ici 2020 une réduction des coûts de 46 % par rapport au niveau de 2010, ce qui ferait de l’énergie éolienne une source d’énergie compétitive ne nécessitant plus de subventions. « La concurrence et la pression sur les prix constituent un défi considérable pour les entreprises et les incitent à réduire le coût des éoliennes et parcs éoliens. C’est pourquoi de nombreuses recherches sont réalisées actuellement. Cela a déjà abouti au doublement de la puissance des éoliennes qui est passée de de 3,6 MW à 8 MW en seulement cinq ans. À ce sujet, M. Bongers déclare :

« Le prix d’un parc éolien d’une puissance de 100 MW constitué de 13 éoliennes de 8 MW chacune est naturellement bien plus intéressant qu’un parc de 25 éoliennes de 4 MW chacune. »

L’entreprise Siemens Wind Power est également très impliquée dans la recherche de nouvelles technologies et méthodes de construction d’éoliennes. Le projet Disstinct, destiné à étudier l’interaction entre les fonds marins et les fondations d’éoliennes, a débuté en 2014. 

« Disstinct » est l’abréviation de « Dynamic Soil Structure Interaction » (interaction dynamique avec la structure du sol). Outre Siemens et l'université de technologie de Delft, des entreprises comme Fugro, Van Oord et DNV-GL sont également impliquées dans le projet.

« Comme vous pouvez l’imaginer, les fondations d’une éolienne sont extrêmement importantes. Le rotor impose d’énormes forces au mât. Dans le cas des éoliennes offshore, les vagues en particulier ont un rôle significatif, en plus du vent », explique M. Bongers, chef du projet Disstinct.

« La fréquence de vibration naturelle de l’installation est significative lorsqu’il s’agit de concevoir une structure porteuse car cela détermine la charge que cette dernière est capable de supporter. Il est donc très important de connaitre avec precision cette fréquence, le facteur d’incertitude principal étant l’interaction entre la structure et les fonds marins.

La rigidité du sol est généralement sous-estimée dans les structures actuelles. De fait, les structures sont calculées avec prudence. On préfère ainsi concevoir des fondations plus solides utilisant plus d’acier. La conséquence logique en est que le prix de l’éolienne augmente alors, ce qui n’est pas souhaitable dans un marché hautement compétitif sujet à une forte pression sur les prix. »

Nous savons beaucoup de choses sur les forces statiques et dynamiques agissant sur les éoliennes, mais moins sur l’effet amortisseur des fonds marins », explique M. Bongers. « Notre recherche portait donc principalement sur le rôle des fonds marins. Pour simplifier, un sol plus rigide absorbe mieux les charges qu’un sol plus souple.

L’état du sol sous-marin est donc un point de départ important pour la conception d’éoliennes, et une étude approfondie du sol fournit de meilleurs paramètres d’entrée pour la conception des fondations.

Nous voulions dresser une carte et confirmer cette relation dans le projet Disstinct, pas seulement à l’aide de modèles informatiques, mais aussi en pratique. C’est ce que nous avons fait lors de la construction du parc éolien Westermeerwind. »

Ce parc éolien est situé dans le lac de l’IJssel, le long de la côte du polder du Nord-Est, au Nord de la ville d’Urk. Il produit 144 MW, ce qui suffit pour alimenter 160 000 foyers. Les 48 éoliennes Siemens sont disposées en deux rangées et espacées de 400 à 500 mètres les unes des autres. Elles font 95 mètres de hauteur et leur rotor présente un diamètre de 108 mètres. Elles sont dans une eau de 4 à 7 mètres de profondeur.

Siemens a été le fournisseur clé en main de ce parc éolien qui a été construit en collaboration avec Van Oord, BM4Wind, et VMBS dans le cadre d’un contrat de Westermeer Wind B.V. Le parc éolien a été officiellement mis en service le 21 juin 2016 par M. Kamp, Ministre des Affaires économiques.

Une étude approfondie des fonds du lac de l’IJssel, sous le parc éolien Westermeerwind, a été réalisée pour le projet Disstinct, avec notamment des essais sismiques. Les fondations en acier ont été conçues en se basant sur ces essais.

Les monopieux font cinq mètres de diamètre, pèsent plus de 200 tonnes et sont enfoncés dans les fonds marins sur une hauteur d’environ 25 mètres. L’un des pieux de fondation fut équipé de dispositifs de mesure en vue de l’expérience. Le pieu a ainsi été équipé sur sa paroi intérieure d’anneaux comptant chacun quatre jauges de contrainte disposés sur sept niveaux de façon à pouvoir mesurer l’ampleur de l’allongement dans l’acier.

Le nombre d’anneaux a sciemment été choisi aussi important afin d’être certain que les jauges de contrainte fourniraient les informations désirées, même en cas de défaillance d’un ou de plusieurs anneaux.

« La mise en place des capteurs fut compliquée », explique Marc van den Biggelaar, l’un des ingénieurs d’application certifiés par HBM en Europe du Nord-Ouest,et qui participe au projet. « Un pieu de fondation a un diamètre de cinq mètres. Nous avons donc dû utiliser un petit élévateur à nacelle pouvant circuler à l’intérieur. Les techniciens portaient un équipement de protection individuelle conformément à la législation sur la santé et la sécurité et ont utilisé des appareils basse tension spéciaux. Le pieu en acier a dû être mis à la terre car il s’agit d’une structure conductrice. »

« Une jauge de contrainte peut être fixée de deux manières : par collage ou par soudure par points. Le collage s’est avéré être la seule option envisageable pour ce projet car le monopieu avait déjà été certifié. »

Des jauges de contrainte sont installées par collage depuis de nombreuses années. Le type de colle et la technique de collage sont choisis en fonction du matériau, de l'application, de la plage de température et des conditions ambiantes. Pour le projet Disstinct, dans lequel les jauges de contrainte devaient être immergées dans l'eau, et même dans les fonds marins, on a utilisé une colle spéciale et un matériau de protection afin de garantir l'étanchéité.

Selon Van den Biggelaar, les ingénieurs scandinaves de HBM avaient souvent utilisé cette technique. Il était donc judicieux de faire venir une équipe de spécialistes de Norvège pour ce projet.

"Les conditions ambiantes n'étaient pas idéales durant les travaux. Il a donc fallu préchauffer le monopieu afin que la colle et le matériau de protection sèchent correctement. Les câbles de liaison ont également été choisis d'un type spécial étanche. Pour leur offrir une protection supplémentaire, ils ont été posés dans un conduit qui avait été installé par une autre entreprise et était aussi collé sur le monopieu. Une autre conséquence intéressante, même si elle n'avait pas été prévue, fut que les jauges de contrainte installées nous ont permis de surveiller aisément le comportement du pieu de fondation durant sa mise en place. 80 % des jauges de contrainte ont survécu à la mise en place du pieu, ce qui est bien supérieur à ce que nous espérions. Les jauges de contrainte vont fournir beaucoup plus de données dans les prochaines années. En Norvège, nous avons des projets de mesure similaires qui fonctionnent depuis 2003."

Un Pot vibrant a été fixé au monopieu après que ce dernier a été mis en place dans les fonds marins. Il s'agit d'un marteau vibrant à commande hydraulique qui génère volontairement un balourd afin de simuler les forces provenant du mât et du rotor, donnant ainsi une idée de leur effet sur les fondations. IHC avait testé et étalonné le Pot vibrant au préalable sur un sol en béton armé au centre WMC de Wieringerwerf. Les points de mesure des jauges de contrainte dans le monopieu ont été raccordés au système d'acquisition de données MGCplus HBM à l'aide de câbles étanches spéciaux. Des inclinomètres et des accéléromètres ont également été raccordés au système d'acquisition de données, qui était installé sur un bateau de travail ancré à proximité des fondations. L'essai avec le Pot vibrant a duré trois jours.

Après cet essai, l'armoire de contrôle contenant le système HBM et le logiciel catman® ont trouvé une place permanente dans l'éolienne afin de fournir un suivi continu pendant encore quelques années. L'armoire est équipée d'un PC industriel et d'une alimentation de secours afin de ne perdre aucune donnée en cas de coupure de courant. Un anneau comprenant quatre points de mesure de jauges supplémentaires a été ajouté à une hauteur de 37 mètres dans le mât, en plus des emplacements de mesure existants. Siemens a connecté le PC à son réseau interne afin de pouvoir collecter les données à distance.