Gestion des centrales : énergie en réseau

Les centrales sont devenues des installations dynamiques que l’on peut même surveiller via Internet. À la fois sophistiqué et très intuitif, le système de conduite proposé par Siemens regroupe l’ensemble de leurs fonctions, optimisant ainsi le rendement tout en réduisant les frais d’exploitation.

La centrale de chauffage de Spittelau, à Vienne, est supervisée par un système de communication sans fil Siemens. Le système de conduite T3000 (à droite) se pilote en ligne, via un navigateur Web.

Les centrales électriques prévoient et disposent de réserves suffisantes pour faire face à des consommations d’électricité pouvant grimper en flèche.

La gestion des charges de pointe requiert une préparation minutieuse. Les convoyeurs à courroie doivent acheminer une plus grande quantité de charbon afin que les chaudières génèrent davantage de vapeur, augmentant la quantité d’électricité produite. L’enchaînement de ces différentes actions exige souvent une précision extrême, car chaque seconde compte. Un système entièrement automatisé peut parfaitement mener cette tâche à bien.

La transparence de l’intégration et des communications est essentielle pour une centrale. Dans le secteur de l’énergie, des millions d’euros dépendent parfois de la rapidité d’une décision. C’est d’ailleurs le cas pour la centrale de chauffage de Spittelau, à Vienne, qui alimente la ville à partir de l’incinération de déchets. Elle est dotée d’un système de communication sans fil qui permet de la piloter, ainsi que plusieurs autres installations, à partir d’une salle de commande centrale.

Système d’automatisation 4ème génération

Siemens Power Generation (PG) est à l’origine de l’un des systèmes de conduite les plus sophistiqués du marché : SPPA-T3000. Ce système d’automatisation de quatrième génération offre une vue d’ensemble actualisée de l’état d’exploitation de la centrale. Intégré à un bloc de 1000 mégawatts, il peut superviser en permanence jusqu’à 100 000 entrées et sorties de process. « Si un dysfonctionnement survient, les clients sont immédiatement avertis et peuvent le corriger aussitôt », explique Rainer Speh, Directeur technologique des systèmes de conduite chez PG. Trente de ces systèmes innovants sont déjà en service, et 200 autres sont en commande.

Quelque 150 programmeurs ont planché sur le nouveau système de conduite, qui affiche une architecture à trois niveaux comparable à celle utilisée pour Internet. Le premier niveau, celui des données, comprend un réseau de capteurs et d’actionneurs couvrant l’ensemble de la centrale. Le deuxième niveau concerne la conduite : les données des capteurs sont traitées, puis des instructions sont transmises aux actionneurs qui commandent le fonctionnement des pompes, moteurs et vannes. Les données de la centrale sont stockées sur un serveur Web intégré, et les données utilisateur ainsi que les droits d’accès sont gérés de manière centralisée. Le troisième niveau se concentre sur l’interaction avec les process. Contrairement aux autres systèmes, le SPPA-T3000 ne nécessite aucun logiciel particulier. Les opérateurs de la salle de commande y accèdent par le biais d’un navigateur Web.

La navigation intuitive simplifie l’utilisation du système. « Grâce aux modèles, le traitement des données et des fonctions est bien plus efficace », précise Frank-Peter Kirschning, directeur de la centrale à vapeur de Rheinhafen, à Karlsruhe. Cet aspect est critique, car en cas d’anomalie, il faut pouvoir localiser et diagnostiquer rapidement le dysfonctionnement. Le SPPA-T3000 a récemment été adopté par la centrale de Karlsruhe dans le cadre de sa modernisation. « Nous avions auparavant différents systèmes reliés par des interfaces, ce qui engendrait souvent des défaillances », indiqueFrank-Peter Kirschning. « Le nouveau système de conduite est plus homogène et beaucoup plus simple d’utilisation ». Ainsi, l’exploitation de la centrale a gagné en efficacité et s’avère bien moins onéreuse. Autre avantage, le SPPAT3000 se présente comme une plate-forme, ce qui permet de l’étendre en y ajoutant des modules logiciels.

Service de surveillance à distance

Siemens propose également un service de surveillance à distance aux clients ayant souscrit des contrats de maintenance à long terme. Les données d’exploitation liées aux turbines et autres systèmes sont transférées via Internet à un centre de diagnostic situé en Allemagne (Erlangen et Mülheim an der Ruhr) ou aux États-Unis (Orlando). Le logiciel utilisé pour ces services a été développé par Hans-Gerd Brummel, de PG, en collaboration avec une équipe dirigée par Claus Neubauer, chef de projet au département Intelligent Vision & Reasoning de Siemens Corporate Research (SCR) à Princeton, dans le New Jersey. Ce logiciel de diagnostic, baptisé PowerMonitor, est capable de détecter de façon précoce les défauts cachés des composants clés des turbines en évaluant en continu les données que lui communiquent plusieurs centaines de capteurs.

Des contraintes extrêmes

Inutile de préciser qu’il fait très chaud à l’intérieur d’une turbine à gaz. Les gaz d’échappement, dont la température atteint 1500 °C, sont expulsés de la chambre de combustion à une pression de plus de 15 bar. Les aubes se mettent alors en mouvement, accomplissant jusqu’à 3600 tours par minute. Ces contraintes thermiques peuvent générer des fissures, voire des ruptures de certaines pièces métalliques, qui, si elles pénètrent à l’intérieur de la turbine, peuvent gravement l’endommager et entraîner plusieurs semaines d’immobilisation.

« Si une fissure est détectée rapidement, la pièce en cause peut être remplacée lorsque la turbine n’est pas en service », explique Hans-Gerd Brummel, responsable R&D chez Power Diagnostics. « Une réparation correctement planifiée peut être réalisée en 2 jours. » C’est pourquoi la turbine est placée sous la surveillance permanente de près de 500 capteurs, dont les données sont analysées par PowerMonitor. Auto-adaptatif, le logiciel a d’abord subi une phase d’apprentissage au cours de laquelle il a calculé les valeurs attendues de chaque capteur, qui ont ensuite été comparées avec les mesures réelles afin de relever les écarts. « Autrefois, les pannes survenaient sans aucun signe avant-coureur », ajoute Hans-Gerd Brummel.

Ce genre d’imprévu appartient au passé depuis que les diagnostics à distance permettent aux exploitants de localiser précisément les défaillances sur le point de faire surface. Siemens surveille actuellement 260 turbines à gaz à travers le monde. Outre la détection précoce des incidents, les spécialistes Siemens se chargent de la maintenance, notamment des tests de vibration périodiques infligés aux turbines pour vérifier leur équilibrage. Les équipes de PG et de Power Diagnostics travaillent main dans la main, en particulier à l’issue de l’installation de nouvelles aubes. Il y a encore peu de temps, ces analyses étaient réalisées sur site par des techniciens spécialisés. Aujourd’hui, elles peuvent se faire à distance, avec l’aide des techniciens de la centrale.

La communication est un aspect essentiel pour la production mixte d’énergie, par exemple dans le cas d’une installation virtuelle combinant une éolienne, une centrale à bio-gaz et une centrale géothermique. Un réseau de ce type peut fournir de l’énergie de manière économique et fiable tout en contribuant à la préservation des ressources. Les exploitants peuvent alors recourir à une technologie telle que le système de gestion d’énergie décentralisée DEMS de Siemens.

La première étape consiste à établir un plan détaillé du fonctionnement de l’installation. Pour déterminer ses charges, la journée est divisée en plages de 15 minutes pour lesquelles des calculs sont effectués. Les périodes de pointe et les conditions climatiques, qui ont une influence sur les éoliennes et les centrales photovoltaïques, sont également prises en compte. Tout le reste s’opère automatiquement. Le système DEMS utilise les données recueillies pour créer le plan de l’installation virtuelle. Le réseau est commandé automatiquement, le DEMS communiquant les commandes individuellement à chacune des centrales via des liaisons de données ou par radiocommunication mobile. Néanmoins, seule une partie des données collectées est transmise, car le DEMS n’a pas besoin d’analyser le fonctionnement de chaque centrale de manière aussi minutieuse que le système SPPA-T3000. « Dans une installation de production d’énergie virtuelle, l’objectif n’est pas d’optimiser le fonctionnement individuel des centrales, mais le réseau dans son ensemble », commente Thomas Werner, responsable produits DEMS chez Siemens Power Transmission and Distribution (PTD).

Pour l’instant, la création de centrales virtuelles n’est financièrement envisageable qu’avec des installations de grande envergure. Cependant, PTD et la compagnie énergétique allemande RWE ont récemment développé un modèle permettant d’organiser les aspects techniques et économiques des centrales virtuelles. Ce nouveau concept permettra d’intégrer des installations dont l’exploitant n’est pas propriétaire. Dès qu’une norme de communication aura été définie, il sera même possible d’alimenter des centrales virtuelles à partir de logements privés. « Nous y travaillons », affirme Reinhard Remberg, du département Strategic Marketing de PTD.

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Auteur : Werner Pluta