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Décryptage de la nouvelle éolienne offshore de 14 MW annoncée par Siemens Gamesa

Décryptage de la nouvelle éolienne offshore de 14 MW annoncée par Siemens Gamesa

Annoncée en mai dernier, la future éolienne de Siemens Gamesa offrira une puissance de 14 MW grâce à des dimensions hors-norme et son système à entraînement direct.

© Siemens Gamesa

La nouvelle éolienne offshore annoncée par Siemens Gamesa en mai aura une capacité de 14 mégawatts (MW). Des performances qu’elle doit à ses dimensions hors normes, et une technologie éprouvée d’entraînement mécanique direct. Revue de détail avec Henrik Olesen, ingénieur danois expert de l’offshore chez Siemens Gamesa.

Dotée d’une capacité de 14 mégawatts (MW),  la nouvelle éolienne offshore annoncée en mai par Siemens Gamesa, baptisée SG 14-222 DD, battra tous les records de puissance. Avec un diamètre de 222 mètres, et des pales de 108 mètres de long, le rotor balayera une surface de 39 000 mètres carrés (m²), de quoi couvrir la surface de 5 terrains de football. Ses dimensions hors norme permettront à cette éolienne de produire 25 % d’énergie en plus par rapport à sa petite sœur, la SG 11-200 DD, dont le rotor affichait déjà 200 mètres de diamètres.

Il semblerait que la puissance de la SG 14-222 DD ait déjà séduit les gestionnaires de projets éoliens offshores. En effet, le constructeur européen a annoncé le 22 juin avoir reçu une commande conditionnelle de 100 unités pour le projet d’Innogy, baptisé Sofia, au large du Royaume-Uni. Avec les commandes récemment annoncées à Taïwan et aux Etats-Unis, le projet Sofia porte à 4,3 gigawatts (GW) le carnet de commandes conditionnel pour cette nouvelle plate-forme de conversion d’énergie éolienne.

L’entraînement direct, une technologie éprouvée

Mais d’où viennent les 14 MW annoncés pas le constructeur ? Dans un entretien avec Industrie & Technologies, Henrik Olesen, ingénieur expert de l’offshore chez Siemens Gamesa, explique comment atteindre cette puissance : « C’est une combinaison entre un rotor plus large et un système d’entraînement du générateur à attaque directe », résume l’expert. Dotées de systèmes d’entraînement direct du générateur, les éoliennes offshores de Siemens Gamesa utilisent une technologie qui se veut simple, fiable, et avec de meilleurs rendements. Ce système, appelé Direct Drive (DD), consiste à relier directement le rotor et le générateur. La vitesse de rotation en entrée du générateur est donc égale à celle des pales de la turbine, ce qui permet d’augmenter le rendement du système de transmission. En effet, dans la plupart des aérogénérateurs, un train d’engrenage multiplie la vitesse de rotation du rotor qui est insuffisante pour faire fonctionner les générateurs électriques classiques (cf. schéma ci-dessous). Placés entre l’axe du rotor et la génératrice, ils diminuent le rendement et sont coûteux à entretenir. A l’inverse, « on obtient généralement de meilleurs rendements avec un système d’entraînement direct », avance Henrik Olesen.


Comparaison de l'architecture d'une éolienne avec train d'engrenage (à gauche) ou à entraînement direct (à droite) (Crédit schéma : Wind energy technology department, Sandia National Laboratories)

Encore faut-il choisir le bon générateur ! L’utilisation d’un alternateur adapté à la vitesse relativement lente des pales de l’éolienne s’impose si l’on veut se passer de multiplicateur de vitesse. Les ingénieurs de Siemens Gamesa ont déjà développé de tels générateurs pour leurs précédentes éoliennes, en utilisant un générateur synchrone à aimants permanents (GSAP, aussi appelé alternateur). « C’est une technologie simple, résume l’ingénieur. Les aimants permanents qui équipent le rotor du générateur induisent un champ magnétique qui, en traversant des bobines de cuivre, génère un courant électrique alternatif. » En utilisant un très grand nombre d’aimants permanents, les alternateurs synchrones génèrent autant d’énergie que les générateurs asynchrones, qui sont soumis au phénomène de glissement. Du reste, le champ magnétique étant spontanément issu des aimants, ce type de générateurs offre l’avantage de se passer de système d’alimentation du rotor, ce qui représente un gain de poids et d’énergie.

Un compromis entre le poids et l’efficacité

Le plus grand avantage de ces générateurs est leur efficacité, qui leur permet de produire plus d’énergie sur une même durée. En effet, pour une même vitesse, un GSAP produit plus d’énergie qu’un générateur asynchrone, particulièrement quand la vitesse du vent diminue. « Pour chaque éolienne, on a la même courbe de puissance : quand le vent atteint 3 mètres par seconde (m/s), l’éolienne démarre et la puissance continue d’augmenter jusqu’à ce que le vent atteigne 10 ou 12 m/s puis, une fois ce palier atteint, on commence à produire une puissance constante. Or, dans la partie basse de la courbe, par vent faible, une éolienne dotée d’un système à attaque direct et d’un GSAP produira plus d’énergie qu’une éolienne classiquement équipée d’un générateur asynchrone », constate l’expert de l’éolien offshore. Alors que les pertes dans les générateurs asynchrones varient beaucoup en fonction de la vitesse de rotation, « celles des GSAP sont plus linéaires », avance-t-il.

Pour produire 14 MW, les ingénieurs de Siemens Gamesa ont créé un GSAP colossal : « C’est le même concept que les précédentes éoliennes, mais en plus grand », souligne l’ingénieur danois. Il sera placé à l’extérieur de la nacelle (entre le rotor et la nacelle), et mesurera environ 9 mètres de diamètre. Cependant, la conception d’une telle machine a ses limites. Premièrement, « vous ne pouvez pas avoir une efficacité maximale et un poids plume, il faut faire un choix. Nous avons fait un compromis pour maintenir le poids du générateur sous une certaine limite », précise l’ingénieur.  En effet, un nombre d’aimants plus important permet de produire plus, mais le diamètre du GSAP ne peut augmenter indéfiniment. « Il vaut mieux sacrifier un peu d’efficacité au profit du poids », souligne-t-il. Deuxièmement, lorsque la puissance produite par un alternateur atteint des valeurs de l’ordre du MW, les aimants chauffent et ont tendance à se démagnétiser. De plus, ces aimants composés de néodyme et de terres rares - réputées pour leur résistance à la désaimantation et leurs prix exorbitants – sont extrêmement coûteux.

Pour répondre à ces problématiques de démagnétisation et de coût, les solutions dépendent beaucoup de « la disposition des éléments et de la position du générateur », selon M. Olesen. Ainsi, les concepteurs « ont placé les aimants sur l’extérieur du générateur – lui-même placé à l’extérieur de la nacelle - pour qu’ils soient refroidis par l’air ambiant. Ainsi, leur température ne dépasse pas les 60 °C, alors que s’ils étaient au centre de la génératrice, leur température s’élèverait à 120 °C », explique l’expert. « Cela permet aussi de diminuer la quantité de terres rares dans nos aimants », ajoute-t-il, ce qui abaisse leur prix.

Produire plus et s’adapter au réseau

Insatiables, les ingénieurs de Siemens Gamesa ont l’intention de pousser la puissance jusqu’à 15 MW. C’est le but du Power Boost développé par l’entreprise européenne. Cette fonction consiste à augmenter la vitesse du rotor, et donc la puissance produite, au-delà des limites imposées par les conditions extérieures et la technologie. En effet, lorsque le vent atteint 10 m/s, les éoliennes doivent adapter l’angle de leurs pales pour réduire la prise au vent et adopter une vitesse de rotation constante. L’enjeu est de maintenir la production à la puissance nominale, car l’échauffement dû à une trop forte augmentation de la puissance peut endommager la génératrice. Cependant, Henrik Olesen explique que « les éoliennes sont dimensionnées pour résister à un certain niveau de turbulences et une température d’échauffement limite », mais que dans la pratique, « ces limites ne sont que très rarement atteintes ». Ainsi, dans les pays du nord de l’Europe où le vent est régulier et où l’air frais refroidit le générateur, « l’éolienne pourra se permettre de dépasser la vitesse limite théorique pour fournir jusqu’à 15 MW », avance l’expert.

La puissance brute n’est pas tout ! Outre sa puissance, cette éolienne fournira une électricité plus fiable au réseau. Lorsque la vitesse du vent dépasse la limite de 25 m/s, « la plupart des éoliennes s’arrêtent net, ce qui a un impact négatif sur le réseau -  sensible aux variations brusques », avance Henrik Olesen. La SG 14-222 DD, comme celle qui la précède, ne s’arrête pas complètement, mais adapte simplement l’orientation de ses pales pour continuer à fournir de l’électricité au réseau « en diminuant progressivement la vitesse de rotation de l’éolienne », explique-t-il. Cela permet de diminuer progressivement l’énergie en sortie du générateur, et ainsi, d’éviter les variations brusques sur le réseau.

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