La machine à remonter le vent

Le secteur de l’énergie éolienne, qui croît chaque année, cherche à produire les grosses pièces des éoliennes avec moins de matériaux. Un projet allemand teste de nouvelles méthodes de construction en simulant 20 ans d’usure sur une période beaucoup plus courte.

Dans le secteur de l’éolien en pleine croissance, la pression sur les coûts oblige à réaliser des tests séverisés. Des recherches constantes sur les méthodes de réduction des coûts sont également nécessaires pour faire de l’éolien une source d’énergie nouvelle, à long terme, sans subventions.

Accompagnement des clients tels que des fabricants d’éoliennes, des exploitants et des fournisseurs de parcs éoliens, ou des fournisseurs d’énergie, l’institut allemand Fraunhofer IWES (The Fraunhofer Institute for Wind Energy and Energy System Technology – Institut Fraunhofer pour l’éolien et la technologie des systèmes énergétiques) propose des services de recherche pour le secteur et collabore sur un large éventail de questions techniques liées à l’énergie éolienne.

« L’IWES est un institut spécialisé pour l’industrie éolienne », explique Hans Kyling, associé de recherche pour le projet en cours « BeBen XXL » qui étudie la possibilité de respecter les exigences de sécurité du secteur avec moins de matériaux.

Le projet s’étale de 2012 à 2017 et associe Fraunhofer IWES, le fabricant d’éoliennes Suzlon Energy GmbH (à l’initiative du projet) et l’Université de sciences appliquées de Hambourg (HAW). Il est financé par le ministère allemand des Affaires économiques.

L’abréviation allemande BeBen peut se traduire par « vérification expérimentale accélérée de l’endurance des composants destinés aux éoliennes de grande puissance à travers l’exemple des arbres primaires. »

« Le terme “construction légère” est un peu exagéré, souligne M. Kyling, car nous ne fabriquons pas vraiment des éléments légers, ils sont seulement plus légers. »

Tous les fournisseurs de l’industrie éolienne pourraient tirer parti des résultats positifs de ce projet. Si les directives relatives à la certification sont modifiées en conséquence, cela augmentera la rentabilité, car il ne sera plus nécessaire de construire des éoliennes sur dimensionnées.

Parallèlement à l’objectif principal, le projet étudie et valide également la possibilité de remplacer les matériaux forgés onéreux par de la fonte à haute résistance. M. Kyling explique : « Nous effectuons un test de vieillissement accéléré en modifiant certains paramètres, par exemple en utilisant une vitesse de rotation plus élevée que lors de l’exploitation normale d’une éolienne, ce qui impose des contraintes supérieures à l’arbre primaire en raison d’un rotor plus lourd. »

Autre élément innovant de ce projet : la création d’une « courbe de Wölher » qui détermine la résistance à la fatigue d’un matériau ou d’un composant, notamment pour les éléments de grande taille. L’industrie automobile fait généralement appel à des tests de fatigue pour des composants beaucoup plus petits. Pour des questions de coûts, même l’industrie aérospatiale effectue des tests sur des éléments beaucoup plus réduits.

Malgré les dimensions imposantes de l’arbre primaire d’une éolienne, l’espace disponible pour installer les assemblages vissés est assez réduit, ce qui complique l’installation et la maintenance, et les rend même dangereux.

« Nous avons créé un banc d’essai en deux parties, explique M. Kyling. Une structure en acier est reliée à la base, et une autre structure en acier, au-dessus, est reliée à l’échantillon testé. »

Généralement, il est très difficile d’accéder à ces deux applications. La structure est conçue pour l’optimisation du flux de charge, ce qui signifie que les vis sont parfois placées dans des endroits difficiles à atteindre avec peu de place pour manipuler les outils. Outre les espaces confinés, M. Kyling cite d’autres difficultés : « La perte de précontrainte doit être aussi faible que possible, et des forces très importantes doivent être neutralisées. »

Ce sont principalement ces difficultés qui ont motivé le choix des produits Nord-Lock. Les tensionneurs Superbolt contribuent à la sécurité du projet, non seulement parce qu’ils permettent de travailler dans des espaces confinés, mais également parce que des outils plus légers peuvent être utilisés. La manipulation d’outils hydrauliques dans cet environnement pourrait en effet compromettre la sécurité des techniciens.

Des tensionneurs Superbolt sont installés entre les deux composants supérieurs en acier, et entre la structure en acier et la fondation. Huit tensionneurs M80 sont utilisés pour le projet, ainsi que 28 tensionneurs M56 plus petits. Même avec les tensionneurs Superbolt M80, il reste 2,8 MN (méganewtons) de force à prendre en compte, mais les tensionneurs à vis multiples Superbolt peuvent y faire face.

Le projet BeBen XXL ne bénéficie pas seulement des pièces de Nord-Lock, mais aussi de son expérience dans le secteur de l’éolien. Sur ce marché, le positionnement constitue la clé du succès « car il y a toujours une pression sur les coûts », affirme M. Kyling.

Tobias Klanck, ingénieur commercial chez Nord-Lock ajoute : « en tant que fournisseur qualifié pour l’industrie éolienne, nous sommes heureux de voir que la croissance se poursuit sur ce segment. C’est notamment le cas des éoliennes pour vent faible. Tirant pleinement parti du vent présent, ces machines sont adaptées à de nombreux endroits du monde. »

Pour M. Kyling, « il reste beaucoup de difficultés à surmonter » en matière de construction d’éoliennes. L’une d’entre elles est notamment l’utilisation de pales de rotor de plus en plus grandes. Concernant la chaîne dynamique, il s’agit de faire appel à des arbres en fonte pour remplacer ceux en matériaux forgés afin de réduire les coûts pour les gros volumes. Puisqu’il n’existe pas de chaîne dynamique générique, les paliers constituent un autre défi pour les fabricants d’éoliennes qui veulent rester compétitifs.

Informations techniques : Des produits pour n’importe quelles conditions

Les produits hauts de gamme du groupe Nord-Lock sont très intéressants pour l’industrie éolienne, car ils répondent aux exigences strictes des exploitants d’éoliennes. Les produits Nord-Lock sont parfaits pour sécuriser les assemblages vissés sur des machines qui doivent pouvoir résister à des pressions énormes dans des conditions extrêmes. De plus, ils ne nécessitent quasiment aucune maintenance.

Les rondelles Nord-Lock évitent le desserrage des vis dû aux vibrations et aux sollicitations dynamiques grâce à la tension, et non à la friction, ce qui réduit les risques de défaillances de la production ou de dégâts sur les biens. Les rondelles X-series offrent une sécurité supplémentaire car elles compensent la relaxation et les tassements, en plus d’appliquer un effet de cames typique des rondelles de blocage d’origine. Elles permettent également de résister de manière fiable aux sollicitations dynamiques, surtout sur les nouvelles turbines aux performances toujours plus élevées.

Les tensionneurs Superbolt constituent un excellent choix pour les éoliennes. Remplaçant les écrous et les vis classiques, ils augmentent la durée de vie des assemblages vissés et des outils à main suffisent pour les serrer. Ils sont idéals dans la chaîne dynamique, avant et après le multiplicateur, au niveau de la nacelle et de la base, des pièces soumises en permanence à des forces extrêmes.

Les outils hydrauliques Boltight permettent d’appliquer une précontrainte fiable et précise à  tous les assemblages vissés essentiels, pendant la construction ou la maintenance. Ils peuvent notamment être utilisés pour les connexions entre le mât et le sol, sur les châssis, les paliers, la base ou les pales du rotor.

Tensionneur à vis multiples M80

INFORMATIONS : Projet de recherche BeBen XXL
Client : L’institut Fraunhofer IWES pour le secteur de l’éolien.
Lieu : Bremerhaven, Allemagne.
Projet : Projet de recherche BeBen XXL, 2012–2017
Objectif du projet : Déterminer s’il est possible de réduire ou de modifier les matériaux utilisés pour les arbres des éoliennes de grande puissance.
Produits Nord-Lock : Superbolt M56 et tensionneurs à vis multiples M80

Avantages :

  • Plus adaptés aux espaces confinés.
  • Aucune perte de précontrainte.
  • Des forces très élevées sont supportées.
  • Utilisation d’outils plus légers.

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