Turbines éoliennes : une technologie dans le vent

Leader mondial du marché des turbines éoliennes offshore, Siemens WindPower fabrique, grâce à un procédé « one-shot » unique, des pales de rotor longues de 52 m, ainsi que la turbine éolienne la plus gigantesque jamais produite en série, d’une puissance de 3,6 mégawatts.

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Un vent glacial pousse de gros nuages menaçants, et une multitude de moutons se forment à la surface de la Mer du Nord. Claus Burchardt, responsable recherche et développement des pales de turbines éoliennes chez Siemens Wind Power, une entité de Siemens Power Generation (PG), ne peut rêver mieux : « Pour nous, un vent fort est synonyme de beau temps. Sans cela, nous aurions de grosses difficultés à trouver des clients ».

Depuis son bureau situé en périphérie d’Aalborg, troisième ville du Danemark, Claus Burchardt s’occupe, avec ses 3200 collaborateurs de Siemens Wind Power, de la construction d’immenses centrales éoliennes pouvant chacune générer assez d’électricité pour faire bouillir une baignoire d’eau glacée en 30 secondes. En fait, certains de leurs composants individuels sont si imposants que, pour des raisons logistiques ils sont construits hors du Danemark. À Fort Madison, dans l’Iowa, par exemple, une nouvelle usine de pales de rotor a ouvert en septembre 2007. Les infrastructures locales jouent un rôle important dans le choix des sites. Ainsi, la ville d’Aalborg a été retenue pour sa proximité avec un port bordé de quais permettant de décharger les pales, dont certaines mesurent plus de 50 m de long.

« Notre défi consiste à garantir que toutes nos pales de rotor, qui pèsent parfois jusqu’à16 tonnes, sont fabriquées avec une telle précision qu’elles fonctionneront parfaitement pendant 20 ans sans nécessiter aucune modification ni aucun ajustement. » Pour ce faire, les pales doivent présenter, en dépit de leurs dimensions extraordinaires, une forme aérodynamique optimale et une robustesse à toute épreuve. En effet, nombre d’entre elles sont destinées à des parcs éoliens offshore, des sites où les coûts de réparation et de remplacement sont considérables. « Pour le fabricant, effectuer une réparation en haute mer coûte environ 10 fois plus cher que sur une installation côtière », précise Claus Burchardt. « Un vent soufflant à 10 m/s équivaut à une force de 100 tonnes exercée chaque seconde sur le rotor. La pale doit donc être particulièrement résistante ! »

Ces exigences de qualité strictes ont conduit de nombreux fabricants à abandonner leurs activités offshore. Entre-temps, Siemens est devenu non seulement le plus expérimenté, mais aussi le premier des fournisseurs de turbines éoliennes offshore.

Cuisson des pales

Dans le hall de production de 250 m de long du site d’Aalborg, de gigantesques moules en forme de pale sont posés sur le sol ou suspendus au plafond.
Pas la moindre odeur de produit chimique, et les ouvriers ne portent pas de vêtements de protection… « Il y a quelques années, nous avons développé un procédé permettant de fabriquer les pales d’une seule pièce », explique Claus Burchardt. « Grâce à cette méthode intégrale, dite « one-shot », nous pouvons nous passer de matières adhésives. Ainsi, le personnel n’est pas exposé à des vapeurs toxiques. De plus, aucun composant individuel ne vient encombrer le hall. Nous obtenons une pale de rotor moulée en une fois, par conséquent sans jointure, ce qui la rend bien plus résistante que les autres ».

À l’autre extrémité du hall de production, Claus Burchardt s’arrête au niveau d’un des moules. Un ouvrier est en train de le garnir d’une sorte de textile blanc ayant à la fois l’apparence d’une moquette finement tissée et la texture du plastique. « C’est de la fibre de verre. Une fois injectée avec de la résine époxy, elle se transforme en un composite plastique renforcé de fibres. Contrairement aux produits de nos concurrents, nos pales de rotor ne contiennent pas de polychlorure de vinyle (PVC), source de dioxines. Cela signifie qu’à l’issue de leurs 20 années d’exploitation, leur élimination ne pose aucun problème car elles sont essentiellement composées de fibre de verre recyclable. » Comment un morceau de tissu peut-il conférer une telle robustesse à une pale de rotor ? « Le moule est d’abord tapissé de plusieurs couches de fibre de verre. En fait, il faut 7 tonnes de fibre de verre pour faire une pale de 45 m, et 12 tonnes pour une pale de 52 m.

Pour rigidifier l’ensemble, on insère une couche de bois entre les couches de fibre », dévoile Claus Burchardt. « On prépare de même l’autre côté de la pale, puis on joint les deux parties. Mais au lieu de les fixer à l’aide d’un adhésif, on remplit l’intérieur de sacs d’air, puis on injecte plusieurs tonnes de résine époxy liquide. Cette dernière s’insinue de façon homogène entre les sacs et la fibre de verre, faisant adhérer les deux côtés de la pale. Enfin, on cuit la pièce pendant 8 h à 70 °C ».

Pendant ce temps, un moule a été descendu du plafond. C’est seulement maintenant que la forme bombée de l’énorme pièce se dévoile entièrement. Le moule fermé agit comme un moule à gâteau avec four intégré. On le chauffe une fois la résine époxy injectée, et la pale se solidifie en cuisant. À l’intérieur, les sacs, qui résistent à la chaleur, empêchent la pale de s’affaisser. « Grâce à cette méthode, 48 heures suffisent à produire une pale complète, soit une journée pour disposer les couches de fibre de verre, et une autre pour l’injection de la résine et la cuisson », indique fièrement Claus Burchardt. « Ensuite, la pale est ajustée et peinte en blanc. Ce procédé est un savant mélange de haute technologie et d’artisanat. » Lorsqu’elles sont prêtes, les pales de rotor sont livrées aux clients par camion ou par bateau.

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Avant l’installation des turbines en mer (en bas), Henrik Stiesdal (à droite) s’assure que tout est parfait, de l’assemblage (au centre) à l’essai de fatigue final (à gauche).

De bonnes vibrations

Avant livraison, quelques exemplaires sont soumis à une série d’essais statiques et dynamiques. D’abord, ils subissent 1,3 fois la charge d’exploitation maximale. Afin de simuler la fatigue du matériau après 20 ans de service, ils sont ensuite placés sur un banc d’essai spécial qui les fait vibrer près de 2 millions de fois. Enfin, un essai statique mesure à nouveau leur endurance.

À Brande, ville de 6 000 habitants située à 150 km au sud d’Aalborg, 2 000 collaborateurs de Siemens fabriquent l’élément clé de toute centrale éolienne : la nacelle. Au cours d’une sortie dans la campagne danoise, jalonnée de champs, de fermes et d’éoliennes - le pays en compte quelque 3 500 -, je demande pourquoi les principaux fabricants de centrales éoliennes sont implantés au Danemark.

« Il y a des raisons historiques à cela », répond Henrik Stiesdal, Directeur technologique du site Siemens de Brande. « Tout a commencé avec la crise pétrolière de 1973-1974. Cherchant à réduire sa dépendance au pétrole, le Danemark a envisagé la possibilité de construire des centrales nucléaires. En réponse, de talentueux ingénieurs ont conçu les premières turbines éoliennes. Au milieu des années 1980, différents pays ont fait de l’énergie éolienne une activité lucrative en instaurant des mesures d’incitation fiscale. Seul pays à posséder le savoir-faire indispensable pour construire des systèmes parfaitement fonctionnels, le Danemark a connu un véritable essor. Et cela continue. »

Malgré le beau temps - au sens danois du terme - Henrik Stiesdal se réjouit de devoir rester dans son confortable bureau. « Les premières éoliennes que nous avons construites au début des années 1980 affichaient une puissance de seulement 22 kilowatts. Depuis, la puissance a pratiquement doublé tous les4 ans. Aujourd’hui, nos centrales de 2,3 et 3,6 mégawatts offrent une puissance plus de100 fois supérieure. Mais notre activité repose à près de 80 % sur les centrales de plus petite envergure. Du moins pour l’instant. »

Henrik Stiesdal désigne une grande carte d’Europe. « Nous venons d’achever l’installation de la ferme éolienne de Burbo - notre premier parc offshore basé sur la nouvelle turbine de 3,6 mégawatts - située au large de Liverpool. Il aura suffi d’un mois et demi pour réaliser ce projet. Avec une puissance totale de 90 mégawatts, le parc alimentera plus de 80 000 foyers d’ici la fin 2007. L’an prochain verra un autre projet de 54 turbines, le plus vaste parc éolien offshore du monde, sur la côte Est de l’Angleterre. Et en tant que seule entreprise capable de fournir des turbines de cette puissance, nous avons déjà reçu d’autres commandes ».

L’enthousiasme d’Henrik Stiesdal se lit dans ses yeux. « Cette année, nous allons construire plusieurs centrales éoliennes, pour une puissance totale de 1 500 mégawatts, qui produiront 4 milliards de kilowattheures par an, soit environ 12 % des besoins en électricité du Danemark. Au large de la côte Sud de Lolland, notre parc éolien offshore de Nysted (165 MW) génère assez d’électricité pour approvisionner ma ville de résidence, Odense, et ses 185 000 habitants - foyers, industries et éclairage public confondus », expose-t-il avant d’entrer dans l’immense hall de production des turbines.

Des géants de 500 tonnes

D’imposantes nacelles métalliques, contenant chacune une machine de 2,3 mégawatts, sont alignées. Nous nous approchons de l’une de ces structures arrondies : les panneaux supérieurs sont relevés, offrant une vue sur l’intérieur. « Nous sommes à l’avant de l’arbre de transmission. C’est à cet endroit que le rotor et ses trois pales seront montés. S’agissant d’une turbine offshore, cette opération aura lieu en pleine mer. Les mâts, eux, sont assemblés à terre. Un bateau équipé d’une grue, spécialement conçu pour ce travail, achemine les mâts, les nacelles et les pales de rotor jusqu’au site offshore. L’installation d’une turbine de 500 tonnes prend moins d’une demi-journée. Lorsque le rotor commence à tourner, son mouvement est transmis par l’arbre au multiplicateur, lequel transfère le couple - variable en fonction de la force du vent - au générateur, qui produit alors de l’électricité. »

Henrik Stiesdal souligne qu’un équipement de cette ampleur ne se limite pas à un ensemble de pièces mécaniques. « Aujourd’hui, une turbine de 2,3 mégawatts comme celle-ci fait largement appel à l’électronique et comprend de nombreux systèmes de processeurs. Le fonctionnement d’une éolienne, à première vue simple à comprendre, est bien plus complexe qu’il n’y paraît. » Ceci est d’autant plus vrai lorsque l’on considère la plus puissante de toutes : la turbine de 3,6 MW. En chemin vers la salle qui accueille ce mastodonte, nous traversons l’aire d’entreposage. Tous les composants des turbines éoliennes sont soigneusement empilés, attendant d’être montés. Sur la gauche, les nez en acier, qui viendront couvrir les moyeux, au centre, les nacelles et, sur la droite, les gigantesques moyeux de rotor, pesant chacun autour de 35 tonnes. Les pales produites à Aalborg sont livrées directement sur le site d’implantation. Les différents éléments des mâts, qui peuvent atteindre 120 m de haut, proviennent de fournisseurs externes - du Danemark, d’Allemagne, des États-Unis ou de Corée, selon la destination du parc éolien.

La voici enfin : la nacelle blanche de la turbine de 3,6 mégawatts ! Elle présente une forme angulaire, qui la distingue des modèles inférieurs. Elle est également plus imposante, avec ses 13 m de long, ses 4 m de large et ses 4 m de haut. On accède aux « entrailles » de la turbine par une échelle. Les différents éléments sont répartis sur deux étages. « Tout est plus grand dans cette turbine », commente Henrik Stiesdal non sans euphémisme. « Mais nous travaillons déjà sur des systèmes encore plus impressionnants. Sous peu, les pales de nos turbines éoliennes pourraient bien dépasser les 60 mètres… »

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Auteur : Sebastian Webel