Analyse, Évaluation et Réduction des Risques d'un Parc Éolien

Université d’Oran 2

Institut de Maintenance et de Sécurité Industrielle

THÈSE

Pour l’obtention du diplôme de Doctorat « L.M.D »

En Sécurité Industrielle et Environnement

Analyse, Évaluation et Réduction des Risques

d’un Parc Éolien

Présentée et soutenue publiquement par :

M. ZIANE Khaled

Le: 02 Juillet 2017

Devant le jury composé de :

LOUNIS Zoubida

Professeur

Université d’Oran 2

Présidente

ZEBIRATE Soraya

Professeur

Université d’Oran 2

Directrice de

Thèse

BOUKEZZI Larbi

Professeur

Université de Djelfa

Examinateur

TOUATI Said

Maitre de Recherche A

Centre de Recherche Nucléaire

de Birine

Examinateur

HASSINI Abdelatif Professeur

Université d’Oran 2

Examinateur

« Analyse, évaluation et réduction des risques d’un parc éolien »

Résumé :

Comme tout système industriel, l'éolienne comporte de nombreux dangers et facteurs aggravants pour les travailleurs, l'environnement et les riverains. Ainsi, elle est susceptible de générer des risques de nature variée. Dans cette perspective, on s'intéresse plus particulièrement au risque de projection de tout ou partie de pale, qui est dû généralement à la fatigue des matériaux de cette dernière. Cette fatigue est l'un des problèmes posés par les aérogénérateurs en termes d'ingénierie, qui réside dans la charge variable à laquelle les pales de rotor sont soumises. Dans le cadre de cette thèse, nous avons utilisé les méthodes d’intelligence artificielle en particulier les réseaux de neurones artificiels (RNA) afin de prévenir le comportement en fatigue des pales d’éoliennes. Cela nous a permis de créer un modèle capable de prédire la durée de vie ainsi que la tenue en fatigue de plusieurs matériaux composites stratifiés sous l’effet de plusieurs facteurs (environnement, orientation de fibres…). En outre, les résultats obtenus par les RNA nous ont aidés à proposer quelques types de matériaux composites de point de vue durabilité et durées de vie pour une éventuelle conception des pales d’éoliennes.

Mots clés : Energie éolienne, analyse des risques, comportement en fatigue, pale d’éolienne, matériaux composites, réseau de neurone artificiel

« Analysis, assessment and risk reduction of a wind farm »

Abstract :

Like any industrial system, the wind turbine has many aggravating factors and hazards to workers, environment and riparians. Thus, it is liable to generate risks of varied nature. In this perspective, we are particularly interested in projection of all or part of the blade which is usually due to the fatigue of the latter. This fatigue is one of problems posed by wind turbines in terms of engineering, who resides in the variable load at which the rotor blades are subjected. In the context of this thesis, we used the methods of artificial intelligence in particular artificial neural networks (ANN) to prevent the fatigue behavior of wind turbine blades. This allowed us to create a model able to predict the lifetime and the fatigue strength of several composite laminates under the effect of many factors (environment, fiber orientation...). Furthermore, the results obtained by the ANN helped us to propose some types of composite materials standpoint durability and lifetime for an eventual design of wind turbine blades.

Keywords: Wind energy, risk analysis, fatigue behavior, wind turbine blade, composite materials, artificial neural network

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Préface

Faire sa thèse est un accomplissement de soi, une chose qui fait appel à

notre inconscience, qui nous pousse à aller toujours plus loin, à ne jamais se

contenter de l’acquis ; comme je le disais souvent « le plus agréable ce n’est

pas d’arriver à son but, mais le chemin parcouru pour y arriver... Surtout

lorsque le chemin n’amène pas et on en laisse sa trace..!! Ne regardes pas

seulement dans la destination, essayes de vivre et profiter du chemin... ».

Je dédie ce travail à mes chers parents,

mes sœurs, mes frères et amis pour

leur soutien incommensurable…

Remerciements

Mes premiers remerciements et les plus vifs, je les adresse à la directrice de ma thèse Pr. Zebirate Soraya qui m’a honoré d’avoir dirigé ce travail. Je la remercie pour tous les principes qu’elle n’a cessé de me transmettre, la rigueur scientifique, l’objectivité et l’orientation. Elle a toute ma gratitude pour m’avoir aidé et encouragé dans les moments difficiles et m’avoir consacré son temps malgré ses occupations.

Mes vifs remerciements vont aussi au Pr. Lounis Zoubida, de m’avoir accepté dans son équipe de recherche et son suivi durant toutes ces années d’études. Ainsi, de m’avoir fait l’honneur de présider le jury de thèse.

Je tiens à remercier Monsieur Boukezzi Larbi, Professeur à l’Université Ziane Achour de Djelfa de m’avoir fait l’honneur de participer au jury en tant que examinateur.

J’adresse un grand merci à Monsieur Touati Said, Maitre de recherche "A" au Centre de Recherche Nucléaire de Birine CRNB, pour l’honneur qu’il me fait en acceptant de juger ce travail.

Je présente aussi mes remerciements à Monsieur Hassini Abdelatif, Professeur à l’Université d’Oran 2 Mohamed Ben Ahmed, d’avoir accepté d’examiner cette thèse.

L’ami et le co-auteur Adel Zaitri, je te remercie vivement pour ta contribution précieuse dans la réalisation de nos travaux, de ton côté par l’exploitation des RNA.

J’exprime aussi ma gratitude à Madame Bahmed Lylia, Professeur à l’Université Hadj Lakhdar de Batna, de m’avoir recommandé et aidé à atteindre mon objectif en soutenant cette thèse, par son accueil au niveau de son institut IHSI, ainsi, pour son soutien moral.

Un mille mercis à Monsieur Adrian Ilinca, Professeur à l’Université du Québec à Rimouski UQAR pour son accueil chaleureux durant mon stage, qui m’a fait intégrer avec souplesse dans son équipe de recherche au sein du Laboratoire qu’il préside « Laboratoire de Recherche en Énergie Éolienne LREE » ; une expérience vraiment si enrichissante pour moi au niveau professionnel ainsi qu’au niveau culturel et social. Au plaisir de travailler avec vous dans les futures recherches et collaborations.

Mes remerciements s’adressent également à tous les membres d’équipe du LISIDD et à tous les enseignants et le personnel de l’IMSI, ainsi qu’à son Directeur.

Il m’est impossible de ne pas citer mes camarades de la résidence Carthage de Rimouski, plus particulièrement l’ingénieur et le futur Maitre en sciences Jihed Hayouni, qui mérite beaucoup de respect. Merci à toutes et à tous chacun par son nom.

Tables des Matières

Liste des tableaux ... i

Liste des figures ... ii

Abréviations et symboles ... v

Introduction générale ... 1

Chapitre I : Etat de l’art des éoliennes

I.2 L’énergie éolienne en quelques chiffres... 6

I.2.1 Histoire de l’éolien ... 6

I.2.2 L’énergie éolienne pour quoi faire ? ... 8

I.2.3 Développement de l’énergie éolienne ... 8

I.2.4 Production éolienne ... 9

I.2.5 L’éolien dans l’Afrique ... 10

I.2.6 Emplacement des parcs éoliens ... 12

I.3 Caractéristiques générales d’un parc éolien ... 12

I.3.1 Eléments constitutifs d’une éolienne ... 13

I.3.1.1 Mât ... 13

I.3.1.2 Moyeu ... 14

I.3.1.3 Nacelle ... 14

I.3.1.4 Rotor ... 14

I.3.1.5 Pales ... 14

I.3.2 Emprise au sol ... 17

I.3.3 Principe de fonctionnement d’une éolienne ... 18

I.4 Raccordement électrique ... 19

I.4.1. Réseau inter-éolien ... 19

I.4.2. Poste de livraison ... 19

I.4.3 Réseau électrique externe ... 20

Chapite II : Analyse et évalution des risques d’un parc éolien

II.1 Introduction ... 21

II.2 Impact des éoliennes sur l’environnement ... 22

II.2.1 Impact sur le paysage ... 22

II.2.2 Impact sur l’avifaune ... 22

II.2.3 Impact de bruit ... 23

II.2.4 Impact sur les riverains ... 23

II.3 Identification des potentiels dangers de l’installation ... 24

II.3.1 Dangers liés au milieu naturel ... 24

II.3.2 Dangers liés aux produits ... 24

II.3.3 Risques sanitaires ... 25

II.3.4 Dangers liés aux conditions d’exploitation ... 25

II.4 Inventaire des accidents et incidents à l’international ... 26

II.5 Analyse préliminaire des risques APR ... 27

II.5.1 Scénarios étudiés dans l’analyse préliminaire des risques ... 28

II.5.2 Effets dominos ... 32

II.6 Mise en place des mesures de sécurité ... 32

II.7 Scénarios génériques issus de l’analyse préliminaire des risques ... 35

II.7.1 Scénarios relatifs aux risques liés à la glace (G01 et G02) ... 35

II.7.1.1 Scénario G01 ... 35

II.7.1.2 Scénario G02 ... 36

II.7.2 Scénarios relatifs aux risques d’incendie (I01 à I07) ... 36

II.7.3 Scénarios relatifs aux risques de fuites (F01 à F02) ... 37

II.7.3.1 Scénario F01 ... 37

II.7.3.2 Scénario F02 ... 38

II.7.4 Scénarios relatifs aux risques de chute d’éléments (C01 à C03) ... 38

II.7.5 Scénarios relatifs aux risques de projection de pales ou de fragments de pales (P01 à P06) ... 38

II.7.5.1 Scénario P01 ... 39

II.7.5.3 Scénarios P03 ... 39

II.7.6 Scénarios relatifs aux risques d’effondrement des éoliennes (E01 à E10) ... 39

II.8 Conclusion ... 39

Chapite III : Fatigue des pales d'éoliennes

III.2 Architecture structurale d’une pale d’éolienne ... 42

III.3 Pales en matériaux composites ... 42

III.3.1 Classification des matériaux composites ... 43

III.3.2 Constituants des matériaux composites ... 43

III.3.2.1 Les fibres ... 44

III.3.2.2 Les matrices ... 45

III.3.2.3 L’interphase ... 46

III.4 Procédé de fabrication des pales d’éoliennes ... 46

III.4.1 Matériaux et calcul structural ... 47

III.5 Fatigue des pales d’éolienne ... 48

III.5.1 Endommagement en fatigue ... 49

III.5.2 Mécanismes d’endommagement en fatigue ... 49

III.5.3 Prédiction de la durée de vie en fatigue ... 50

III.6 Conclusion ... 53

Chapite IV : Intelligence artificielle et prédiction

IV.2 Introduction à l’intelligence artificielle ... 55

IV.3 Réseaux de neurones ... 56

IV.3.1 Neurones biologiques ... 56

IV.3.2 Neurones artificiels (formels) ... 57

IV.3.3 Histoire de l’évolution des RNA ... 58

IV.3.4 Comportement du neurone artificiel ... 59

IV.4 Structure d’interconnexion des RNA ... 60

IV.4.1 Réseau multicouche ... 60

IV.4.3 Réseau à connexions récurrentes ... 61

IV.4.4 Réseau à connexions complexes ... 61

IV.5 Architecture des RNA ... 62

IV.5.1 Réseaux statiques ... 62

IV.5.2 Réseaux dynamiques ... 62

IV.5.3 Réseaux auto-organisés ... 62

IV.6 Apprentissage des RNA ... 62

IV.6.1 Procédure d’apprentissage ... 63

IV.6.2 Types d’apprentissage ... 63

IV.7 Réseaux de neurones a apprentissage supervisé... 64

IV.7.1 Perceptron multicouche ... 64

IV.7.2 Perceptron multicouche à rétropropagation ... 66

IV.7.2.1 Rétro-propagation avec Momentum ... 66

IV.8 Intelligence en essaim ... 67

IV.8.1 Optimisation par essaim particulaire (OEP) ... 67

IV.8.1.1 Description informelle ... 68

IV.8.1.2 Voisinage ... 69

IV.8.2 Algorithme OEP ... 70

IV.9 Réseau de neurones optimisé par essaim de particules ... 72

IV.10 Prédiction ... 73

IV.10.1 Régression linéaire ... 73

IV.11 Conclusion ... 75

Chapitre V : Prédiction de la fatigue des pales d’éoliennes

V.2 Effet d’environnement sur la fatigue des pales d’éoliennes ... 78

V.2.1 Hygro-thermo-mécanique des pales d’éolienne ... 78

V.2.2 Comportement du gel-coat aux contraintes climatiques ... 79

V.2.3 Procédure expérimentale et échantillons ... 80

V.2.3.1 Renfort en verre ... 80

V.2.3.3 Préparation des échantillons et géométries ... 81

V.2.3.4 Conditionnement environnemental ... 82

V.2.4 Réseaux de neurones artificiels ... 82

V.3 Prédiction de la tenue en fatigue sous l’effet de l’environnement... 83

V.3.1 Apprentissage par l’algorithme de Rétropropagation ... 84

V.3.2 Résultats de la prédiction utilisant RNA-RP ... 85

V.4 Effet d’orientation de fibres sur la fatigue des pales d’éolienne ... 88

V.4.1 Procédure expérimentale et échantillons ... 89

V.4.1.1 Échantillons et géométrie ... 90

V.4.2 Paramètres de fatigue et propriétés ... 90

V.5 Prédiction de la tenue en fatigue sous l’effet d’orientation de fibres ... 92

V.5.1 Ajustement des paramètres de la topologie RNA ... 92

V.5.2 Ajustement des paramètres de la topologie OEP ... 92

V.5.3 Fonction objective ... 93

V.5.4 Résultats de la prédiction utilisant RNA-OEP ... 95

V.6 Conclusion ... 98

Conclusion générale ... 99

Bibliographie ... 102

i

Liste des Tableaux

Tableau I.1 : Production mondiale d’électricité éolienne en 2011 et 2012 en (TWh) ... 10

Tableau I.2 : Découpage fonctionnel de l’installation ... 18

Tableau II.1 : Dangers liés au fonctionnement d’un parc éolien ... 26

Tableau II.2 : Analyse générique des risques potentiels d’un parc éolien ... 29

Tableau II.3 : Mise en place des mesures de sécurité des éoliennes ... 33

Tableau V.1 : Différentes résines étudiées ... 80

Tableau V.2 : Résumé des données sur la fatigue par compression pour la résine ortho-polyester « CoRezyn 63-AX-051 » ... 84

Tableau V.3 : MD/UD Matériaux ... 89

Tableau V.4 : Résumé des données des résistances à la traction et les tendances de la fatigue (R = 0,1) pour divers matériaux de pale ... 91

ii

Liste des Figures

Figure I.1a : Rose des vents ... 5

Figure I.1b : Manche à air ... 5

Figure I.2a : Éolienne de pompage ... 7

Figure I.2b : Moulins à vent ... 7

Figure I.3 : Capacité éolienne cumulée en GW dans le monde de 1996 à 2014 ... 8

Figure I.4 : Évolution des puissances éoliennes installées en MW dans les 5 pays leaders .... 9

Figure I.5 : Carte annuelle de la vitesse moyenne du vent en (m/s) en Algérie (2009-2010) 11 Figure I.6 : Installation d’éoliennes offshore en Mer du Nord (Photo Gunnar Britse) ... 12

Figure I.7 : Schéma descriptif d’un parc éolien terrestre ... 13

Figure I.8 : Éléments constitutifs d’une éolienne ... 13

Figure I.9 : Montage des pales d’éolienne ... 15

Figure I.10 : Conception d’une pale d’éolienne ... 16

Figure I.11 : Illustration des emprises au sol d’une éolienne ... 17

Figure I.12 : Raccordement électrique d’un parc éolien ... 19

Figure II.1 : Impact visuel d’un parc éolien ... 22

Figure II.2 : Impact sur l’avifaune ... 22

Figure II.3 : Atténuation du bruit suivant l’éloignement de l’éolienne ... 23

Figure II.4 : Projection de glace et circulation des passants ... 23

Figure II.5 : Incendie d’une éolienne à cause de la foudre ... 24

Figure II.6 : Pale brisée par la tempête ... 25

Figure II.7 : Répartitions des évènements accidentels dans le monde entre 2000 et 2011 ... 26

Figure II.8 : Répartitions des causes premières d’effondrement ... 27

Figure II.9 : Répartitions des causes premières de rupture de pale ... 27

Figure II.10 : Répartitions des causes premières d’incendie ... 27

Figure III.1 : Profil standardisé d’une pale d’éolienne ... 42

Figure III.2 : Classification des matériaux composites ... 43

Figure III.3 : Constituants d’un matériau composite stratifié ... 46

iii

Figure III.5 : Procédé d’injection séquentielle de la résine dans la technologie RTM ... 47

Figure III.6 : Différents mécanismes d’endommagement ... 49

Figure III.7 : Exemple de courbe d’endurance (Wöhler)... 50

Figure III.8 : Divers types de sollicitations sinusoïdales ... 51

Figure III.9 : Allure des courbes d’endurance exprimées en fonction de la déformation ... 51

Figure III.10 : Courbe d’endurance S-N pour un composite carbone époxy de séquence [0/903/0] ... 52

Figure IV.1 : Schéma d’un neurone biologique ... 57

Figure IV.2 : Mise en correspondance neurone biologique/neurone artificiel ... 57

Figure IV.3 : Fonctionnement de base d’un neurone ... 58

Figure IV.4 : Différents types de fonctions de transfert pour le neurone artificiel ... 60

Figure IV.5 : Réseau multicouche classique ... 60

Figure IV.6 : Réseau à connexions locales ... 61

Figure IV.7 : Réseau à connexions récurrentes ... 61

Figure IV.8 : Réseau à connexions complexes ... 62

Figure IV.9 : différentes possibilités de classification des réseaux de neurones ... 64

Figure IV.10 : Structure d’entrainement d’un perceptron linéaire ... 65

Figure IV.11 : Entraînement du réseau par rétropropagation de l’erreur ... 66

Figure IV.12: Déplacement d’une particule ... 68

Figure IV.13: Règles simples d’application locale utilisées dans un essaim de particules .... 69

Figure IV.14: Voisinage étoile ... 69

Figure IV.15: Voisinage anneau ... 70

Figure IV.16: Voisinage rayon ... 70

Figure IV.17 : Logigramme pour les réseaux de neurones optimisés par OEP ... 72

Figure IV.18 : Régression par une ligne droite ... 74

Figure V.1 : Vue de dessus d’un segment (AOC 15/50) d’une pale d’éolienne ... 77

Figure V.2 : Pale soumise à un chargement de type hygro-thermo-mécanique ... 79

Figure V.3a : Test de fatigue typique d’une peau-raidisseur ... 81

Figure V.3b : Géométrie et dimensions d’un T-échantillon peau-raidisseur ... 81

iv

Figure V.5 : Prédiction de la tenue en fatigue de la résine ortho-polyester (CoRezyn

63-AX-051) pour les conditions sec/humide (coupons humides dans 1.0 % d’eau distillée) ... 85

Figure V.6 : Prédiction de la tenue en fatigue de la résine iso-polyester (CoRezyn 75-AQ-010) pour les conditions sec/humide (coupons humides dans 0.55 % d’eau distillée) ... 85

Figure V.7 : Prédiction de la tenue en fatigue de la résine vinylester (Derakane 411C-50) pour les conditions sec/humide (coupons humides dans 0.52 % d’eau distillée) ... 86

Figure V.8 : Prédiction de la tenue en fatigue de la résine vinylester (Derakane 8084) pour les conditions sec/humide (coupons humides dans 0.56 % d’eau distillée)... 86

Figure V.9 : Prédiction de la tenue en fatigue des quatre résines pour T=50 °C humide ... 87

Figure V.10 : Prédiction de la tenue en fatigue des quatre résines pour T=20 °C sec ... 87

Figure V.11: Prédiction de la tenue en fatigue des quatre résines pour T=20 °C humide ... 88

Figure V.12 : Section typique d’une pale d’éolienne ... 88

Figure V.13 : Schéma du procédé d’infusion de résine ... 89

Figure V.14 : Géométrie de coupon d’Os de Chien ... 90

Figure V.15 : Particules d’OEP dans l’espace de recherche ... 93

Figure V.16 : Position de la particule 9 en fonction d’itération de dim1 à dim91 ... 94

Figure V.17 : Évolution de la fonction objective selon les 25 particules ... 95

Figure V.18 : Prédiction de la tenue en fatigue de « PPG1200-EP1 fibre de verre/Époxy » pour des stratifiés multidirectionnels [(±45)2/(0)2]S et unidirectionnel [0]2 ... 95

Figure V.19 : Prédiction de la tenue en fatigue de « PPG1200-UP5 fibre de verre/Polyester » pour des stratifiés multidirectionnels [(±45)2/(0)2]S et unidirectionnel [0]2 ... 96

Figure V.20 : Prédiction de la tenue en fatigue de « PPG1200-VE4 fibre de verre/Vinylester » pour des stratifiés multidirectionnels [(±45)2/(0)2]S et unidirectionnel [0]2 ... 96

Figure V.21 : Prédiction de la tenue en fatigue de « PPG1200-VE5 fibre de verre/Vinylester » pour des stratifiés multidirectionnels [(±45)2/(0)2]S et unidirectionnel [0]2 ... 97

Figure V.22 : Prédiction de la tenue en fatigue de « PPG1200-VE6 fibre de verre/Vinylester » pour des stratifiés multidirectionnels [(±45)2/(0)2]S et unidirectionnel [0]2 ... 97

Figure V.23 : Prédiction de la tenue en fatigue des matériaux étudiés pour un empilement de [0]2 ... 97

Figure V.24 : Prédiction de la tenue en fatigue des matériaux étudiés pour un empilement de [(±45)2/(0)2]S ... 98

v

Abréviations et Symboles

ANN Artificial Neural Network

APR Analyse Préliminaire des Risques

AOC Atlantic Orient Corporation

BP Backpropagation

CEEG Compagnie de l’Engineering de l’Électricité et du Gaz CDER Centre de Développement des Énergies Renouvelables

DOE Department of Energy

EP Epoxy

GDM Gradient Descent avec Momentum

IA Intelligence Artificielle

ISO International Standards Organization

IEC International Electrotechnical Commission

LM Levenberg-Marquardt

MD Multidirectionnel

MSE Mean Square Error

MSU Montana State University

MLP Multilayer Perceptron

MEF Méthodes des Éléments Finis

OEP Optimisation par Essaim de Particules

PSO Particle Swarm Optimization

RTM Resin Transfer Molding

RNA Réseau de Neurones Artificiels

RP Rétropropagation

SVM Support Vector Machine

UD Unidirectionnel

UCS Ultimate Compressive Stress

UTS Ultimate Tensil Stress

UP Unsaturated Polyester

vi

Moments de flexion par rapport aux axes x et y

Moment de torsion

Efforts normaux par rapport aux axes x et y

Effort de cisaillement

Efforts de cisaillement transverse

Déformation

Coefficient de rigidité

Stress (Contrainte)

Nombre de cycles

Nombre de cycles à la rupture

Rapport de contrainte

Contrainte maximale

Contrainte minimale

Limite d’endurance ou de fatigue Résistance en traction Logarithme décimal Valeur absolue Amplitude de contrainte Weight (poids) Bias (biais) Entrée (Input) Sortie (Output) Désirée (desired) Network Taux d’apprentissage

Matrice de poids synaptiques

Meilleur particule

vii

Nombre d’itérations

Meilleur position

Meilleur position de voisinage Coefficients d’accélération

Position d’une particule

Variation de température Variation d’humidité Cost function Vélocité maximale Vélocité minimale ( ) Fonction objective

̂ Sortie obtenue par RNA

1

Introduction générale

Depuis son existence sur terre, L’homme a commencé par exploiter les animaux dans ses déplacements, pour entrainer les roues des moulins, puis il s’est orienté vers l’utilisation de l’énergie emmagasinée dans les fleuves, les ruisseaux et les chutes d’eau avant de découvrir et de se servir de l’énergie du vent pour faire pousser les navires.

Au fil des ères et jusqu’à nos jours, l’homme a réussi à accumuler des expériences très riches en matière d’exploitation et de conversion des énergies. Au début de notre ère, et grâce aux progrès spectaculaires connus par les différentes disciplines de la science telles que la chimie, la mécanique, les mathématiques, etc. l’homme a pu développer des procédés très complexes révélant ainsi son génie. Au début du XXe siècle, et grâce au développement des sciences de l’ingénierie et surtout de l’économie, une mutation radicale a marqué la science, l’homme est passé du stade de la construction et de la création au stade de l’optimisation et de l’amélioration des performances, de ce fait, il est arrivé à une maitrise quasi totale de l’énergie.

2

Cette énergie qui est dites renouvelable est utilisée depuis l’antiquité et son utilisation a continué à exister jusqu’à l’arrivée de la révolution industrielle, époque à laquelle, étant donné le bas prix du pétrole, elle a été abandonnée. Cependant, depuis ces dernières années au vu l’accroissement du coût les combustibles fossiles et des problèmes environnementaux dérivés de leur exploitation, nous assistons à un à renouveau des énergies renouvelables.

Malgré la maîtrise des techniques, la question de l’énergie apparaît aujourd’hui comme l’une de nos préoccupations majeures. Certaines de ses sources s’épuisent, d’autres polluent notre environnement. Nos besoins augmentant chaque jour, que faut-il utiliser ? Quelles sont les énergies que l’on appelle renouvelables, et sont-elles vraiment propres ? L’histoire de l’énergie, et tout particulièrement des énergies renouvelables, est donc d’actualité.

Depuis plusieurs décennies, l’homme est devenu de plus en plus convaincu de la nécessité de nouvelles sources plus propres et plus rentables d’énergie. Ceci a pour but soit de renforcer celles déjà existantes, soit de les remplacer carrément. Dans ce contexte, il ne trouvera pas mieux que l’énergie éolienne.

Cette dernière aussi présente un impact sur l’environnement et les riverains, que ce soit au niveau des éléments constitutifs des éoliennes, des produits contenus dans l’installation, des modes de fonctionnement, etc. En outre, l’ensemble des causes externes à l’installation pouvant entraîner un phénomène dangereux, qu’elles soient de nature environnementale, humaine ou matérielle.

À cet effet, il existe plusieurs notions permettant une optimisation des systèmes industriels qui s’intègrent à la discipline de la sécurité, fiabilité, maintenabilité et maîtrise de risques.

À l’issue de l’analyse détaillée des risques ; les risques potentiels retenus pour les installations d’un parc éolien sont les suivants: l’effondrement des éoliennes, la chute d’élément, la chute de glace, la projection de tout ou partie de pale et la projection de glace.

Comme la pale est un élément structurel essentiel dans l’éolienne, elle est sujette au risque de « projection partielle ou totale », qui est dû à la fatigue des matériaux destinés à la conception de cette dernière. Car elle est exposée, selon la climatologie de la région, à des contraintes d’ordre climatique telles que les vents violents, les variations de température et d’humidité, les grains de sable liés aux tempêtes, etc.

Cela nous a conduits à comprendre le comportement des matériaux composites vis-à-vis ce type de sollicitations et de défaillances. Cette défaillance qui est la fatigue, est l’un des sérieux problèmes pouvant entraver le bon fonctionnement de l’éolienne. Par conséquent, elle peut avoir un impact négatif sur les performances et peut même entraîner des pannes prématurées.

Ce travail de thèse est réparti en cinq chapitres. Dans le premier, une description de la naissance du phénomène du vent, suivie par l’histoire de l’évolution des éoliennes durant les

Introduction générale

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dernières décennies. Des statistiques sont données montrant l’évolution de la production et la consommation de l’énergie éolienne dans le monde et l’Afrique en particulier, puis une description détaillée des différentes structures d’un parc éolien, et leur principe de fonctionnement.

Le deuxième chapitre est composé de deux sections: la première est consacrée à l’impact des éoliennes sur l’environnement, tel que le paysage, la faune et la flore et les riverains. La deuxième section est sur l’identification des différents potentiels de danger liés à l’installation, incluant : les risques liés au milieu naturel, aux produits, aux conditions d’exploitations et en fin les risques sanitaires qui sont les plus dangereux. La deuxième section présente aussi le résultat d’une analyse des risques, qui peut être considéré comme représentatif des scénarios d’accident pouvant potentiellement se produire sur les éoliennes. Et à la fin de ce chapitre, une identification des barrières de sécurité installées sur les aérogénérateurs "éoliennes" et qui interviennent dans la prévention et/ou la limitation des phénomènes dangereux listés dans le tableau de l’analyse préliminaire des risques APR et de leurs conséquences.

Les pales d’un aérogénérateur sont exposées durant leur fonctionnement à des chargements cycliques complexes, dus à des conditions environnementales sévères et très variables, comme le cas des vents forts et des rafales qui engendrent des efforts extrêmes, favorisant ainsi la fatigue des pales. Ces notions sont le cœur du troisième chapitre, qui commence à donner un aperçu sur la conception des pales d’éoliennes en matériaux composites, et de leur classification et leur constitution. Puis, une description sur le procédé de fabrication des pales d’éoliennes par le Moulage par Transfert de Résine « Resin transfer Molding RTM ». Après toutes ces définitions, il est donc nécessaire de bien comprendre les mécanismes d’endommagent en fatigue, et de savoir comment prendre en compte au mieux les différents facteurs dont dépend la fatigue des matériaux composites (la nature des fibres et des résines, du drapage, de la qualité des interfaces...).

Les travaux présentés dans le quatrième chapitre portent sur la prédiction de la rupture des matériaux composites des pales d’éoliennes. Rappelons que lors des tests de fatigue, les éprouvettes testées ont des durées de vie largement différentes, cela rend les données brouillées ou manquantes, par conséquent, les résultats seront compliqués et non linéaires. Pour résoudre cette problématique, nous nous sommes tournés vers l’intelligence artificielle (IA) en particulier les réseaux de neurones artificiels (RNA), qui ont été conçus pour apporter des réponses à des problèmes complexes et qui peuvent avoir un grand nombre de solutions possibles. En fait, ils sont considérés comme éligibles à tout problème qui se présente sous forme d’une fonction de mise en correspondance entre un espace d’entrée et un espace de sortie.

Les réseaux de neurones utilisés dans le cinquième chapitre sont employés pour prédire le comportement en fatigue (résistance et durée de vie) des matériaux composites destinés à la conception des pales d’éoliennes. La phase expérimentale sur ces matériaux a été réalisée par

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les laboratoires nationaux de SNADIA (USA), et les données ont été collectées à partir d’une variété de leur base de données. Après plusieurs tests de topologie (architecture du réseau), algorithme d’apprentissage et d’entrainement, des fonctions d’activations...; le choix s’arrête sur le réseau feedforward à une seule couche cachée « Tow-layer feedforward neural network » entrainé par deux algorithmes qui sont : l’algorithme de rétropropagation « Levenberg-Marquardt (LM) » utilisé dans la première section de ce chapitre (l’effet de l’environnement sur la fatigue des pales d’éoliennes) ; et l’algorithme d’Optimisation par Essaim de Particules OEP « Paticle swarm optimazation PSO » utilisé dans la deuxième section du même chapitre (l’effet d’orientation de fibres sur la fatigue des pales d’éoliennes). Sachant que le réseau exploité est d’un apprentissage supervisé utilisant l’erreur quadratique moyenne « Mean square error MSE » comme critère à optimiser, ce qu’on appelle « The fitness function ».

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Chapitre I

État de l’art des éoliennes

I.1 D’où vient le vent ?

Le vent est en fait la résultante de plusieurs phénomènes qui engendrent différents types de forces, à l’origine de mouvements d’air. Pour être tout à fait rigoureux, il y a même trois forces différentes, qui sont [1] :

 Forces de pression  Force de Coriolis  Forces de frottement.

Dans un premier temps, il faut savoir que le vent est indissociable du soleil. En effet, c’est grâce au soleil que les principaux mouvements d’air peuvent avoir lieu.

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La terre reçoit 1.75x1014 kW de puissance du soleil sous forme de rayons solaires, ces rayons réchauffent l’air atmosphérique [2]. Cette atmosphère est constituée de gaz, qui au passage sont principalement de l’azote et de l’oxygène. Ces gaz qui constituent notre air vont être chauffés par les rayons du soleil, mais de façon non uniforme, principalement à cause de la forme sphérique de la terre. Car l’inclinaison des rayons du soleil par rapport au sol terrestre aura tendance à plus chauffer l’air qui se trouve au niveau de l’équateur qu’au niveau des pôles. Mais cette non-uniformité est aussi due à la présence d’océans ou de continents, ainsi qu’à l’épaisseur des nuages [1]. Donc une fois l’air chauffé, celui-ci va chercher à occuper un plus grand volume, il va se dilater et être à l’origine d’une force de pression qui va s’exercer sur une partie de l’atmosphère sous forme de mouvements de convection de l’équateur vers les pôles (les volumes de gaz pris en compte étant quand même importants). C’est ce phénomène qui va être à l’origine de notre première force nécessaire à la « naissance » du vent : la force de pression [3].

A ce phénomène d’échange thermique s’ajoute l’effet de la force de Coriolis générée par la rotation de la Terre et qui accélère la descente de ces masses d’air chaud. Dans ces zones il y a la création de hautes pressions (anticyclone), alors qu’inversement à l’équateur l’ascension de l’air chaud crée une zone de basses pressions attirant les masses d’air des pôles [1, 4]. Ces vents correspondent à des phénomènes globaux géostrophiques [5].

Enfin, voici notre troisième force, qui correspond aux frottements. Il s’agit des frictions entre le sol et les masses d’air déplacées, ou encore entre les différentes masses d’air elles-mêmes qui auront modifié leurs trajectoires aux abords des reliefs rencontrés [1]. En effet, on comprendra facilement qu’il se forme des turbulences, quand par exemple, se dresse devant ces masses d’air une chaîne de montagnes [6].

La force du vent est mesurée en km/h ou en nœud. Les nœuds étant en fait des miles par heure. Cette force correspond à la vitesse du vent à une hauteur standard de 10 mètres au-dessus d’un terrain plat et découvert. Une échelle de valeurs a été mise en place vers 1805 par un contre-amiral anglais Francis Beaufort [5]. Graduée de 0 à 17, l’échelle anémométrique de Beaufort décrit le vent du premier souffle à l’ouragan.

I.2 L’énergie éolienne en quelques chiffres I.2.1 Histoire de l’éolien

Parmi toutes les énergies renouvelables, à part l’énergie du bois, c’est l’énergie du vent qui a été exploitée en premier par l’homme. Depuis l’antiquité, elle fut utilisée pour la propulsion des navires et ensuite les moulins à blé et les constructions permettant le pompage d’eau. Les premières utilisations connues de l’énergie éolienne remontent à 2000 ans avant J.-C environ. Hammourabi, fondateur de la puissance de Babylone, avait conçu tout un projet d’irrigation de la Mésopotamie utilisant la puissance du vent. La première description écrite de l’utilisation des moulins à vent en Inde date d’environ 400 ans avant J.-C. Les Chinois ont également exploité la puissance du vent pour les systèmes de pompage de l’eau [7].

Chapitre I État de l’art des éoliennes

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Le début du Moyen-Âge a vu l’apparition des moulins en Europe avec comme application l’assèchement des lacs et terrains inondés aux Pays-Bas ainsi que la moudre de grains.

Fig. I.2a : Éolienne de pompage Fig. I.2b : Moulins à vent

La génération d’énergie électrique par le vent a débuté à la fin du XIXème siècle. Parmi les pionniers, on peut citer Paul La Cour au Danemark qui a associé une dynamo à une éolienne en 1891. Dans les années 1950, Johannes Juul (élève de Paul La Cour) devint aussi un pionnier dans l’utilisation de l’énergie éolienne en construisant les premières éoliennes produisant du courant alternatif.

La première crise pétrolière en 1973 contribua à éveiller l’intérêt pour l’énergie éolienne dans plusieurs pays. Ainsi plusieurs pays commencèrent à investir de l’argent pour améliorer notamment la technologie des aérogénérateurs.

L’industrie espagnole de l’énergie éolienne a remporté des victoires remarquables tant dans la conception que dans la fabrication des aérogénérateurs. Les États-Unis d’Amérique ont notamment lancé en Californie une opération à grande échelle au début des années 1980 en passant de 7 MW en 1981 à 386 MW en 1985 à 16 813 MW en 2007 à 25 170 MW en 2008 et en 2009 35 159 MW qui occupe la première place en production d’énergie éolienne. En 1991, l’Espagne avait seulement 7 MW de puissance installée ; à la fin de 2008, elle cumulait 16 689 MW de puissance installée et se hissait au troisième rang, et au quatrième rang en 2009 avec 19 149 MW, de tous les pays du monde en matière de production d’énergie éolienne [7].

Aujourd’hui, les études portent sur l’amélioration des matériaux ainsi que sur la chaîne de conversion de l’énergie du vent en énergie électrique exploitable par le réseau. Les premières éoliennes mettent en œuvre une génératrice asynchrone liée aux pales par l’intermédiaire d’une boîte de vitesse, fonctionnent à vitesse fixe et sont directement reliées au réseau (pas d’interface électronique). Cette technologie était surtout employée au Danemark dans les années 1970. Les systèmes les plus récents se dirigent d’une part vers la vitesse variable pour

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maximiser la puissance captée du vent avec l’insertion d’interface d’électronique entre la génératrice et le réseau [8].

I.2.2 L’énergie éolienne pour quoi faire ?

L’énergie éolienne est utilisée par l’homme depuis très longtemps déjà. Elle remplaça les rames pour faire avancer les navires, elle fut utilisée pour actionner les meules des moulins, elle permet encore le pompage d’eau pour abreuver les bêtes dans les champs. Depuis plus de 100 ans, elle est utilisée pour produire de l’électricité, source d’énergie fondamentale dans notre société actuelle. En effet, on utilise l’électricité pour la plupart de notre activité, que ce soit dans le domaine domestique ou industriel [9].

Ainsi l’homme a souvent besoin d’énergie électrique dans des proportions faibles ou importantes selon l’utilisation qu’il a faite :

 Pour faire fonctionner des stations météo ou toutes autres installations électriques isolées à faible consommation, une éolienne de petite taille peut fournir cette énergie tout au long de l’année.

 Pour alimenter en éclairage des maisons ou villages dans des contrées isolées exposées au vent, des installations d’éoliennes de quelques mètres de diamètres sont choses courantes.

 Pour alimenter en électricité des villes tout en produisant une énergie propre, on utilise des éoliennes de plusieurs dizaines de mètres de diamètres pouvant produire jusqu’à 4.5 MW [10].

I.2.3 Développement de l’énergie éolienne

Depuis ces dernières années, la production d’électricité par l’énergie éolienne s’est considérablement développée dans le monde entier. Ceci est principalement dû à deux raisons :

 Produire une énergie propre ;

 Trouver une source d’énergie durable alternative aux combustibles fossiles.

Chapitre I État de l’art des éoliennes

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À la fin 2014, le total mondial de la puissance éolienne installée atteignait 369.6 GW, en augmentation de 51.5 GW en un an. La Chine a installé à elle seule 23.35 GW, soit 45.2 % du total 2014, et représente 31 % du parc mondial fin 2014.

Fig. I.4 : Évolution des puissances éoliennes installées en MW dans les 5 pays leaders [11]

Les États-Unis et la Chine représentent ensemble 38.4 % du total mondial installé. Les cinq premiers pays (États-Unis, Chine, Allemagne, Espagne et Inde) représentent 72.9 % du total, légèrement plus que les 72.4 % de 2008.

Pour la première fois, l’Europe représente moins de la moitié de la Capacité totale : lors des années passées, la part de l’Europe est tombée de 65.5 % en 2006 à 61 % en 2007, 54.6 % en 2008 puis 47.9 % en 2009.

Alors qu’il y a cinq ans l’Europe dominait le marché mondial des éoliennes avec 70.7 % de la nouvelle capacité installée, l’Europe est descendue à la troisième place en 2009 avec seulement 27.3 % de la capacité installée en 2009 (2008 : 32.8 %), juste derrière l’Amérique du Nord (28.4 %, après 32.6 % en 2008) [11]. L’Asie est devenue le continent leader, représentant 40.4 % des nouvelles éoliennes installées (31.5 % en 2008).

L’Amérique latine (1.5 %, 0.6 % auparavant) et l’Afrique (constante à 0.5 %) restent des parts mineures de la capacité totale. Les deux continents ont augmenté leur part dans les nouvelles installations à 1.5 % pour l’Amérique Latine (2008 : 0.4 %) et 0.4 % pour l’Afrique (2008 : 0.3 %).

I.2.4 Production éolienne

En 2012, la production mondiale d’électricité éolienne a atteint 534.3 TWh, en augmentation de 18.3 % par rapport à 2011 ; son taux moyen annuel d’accroissement depuis 10 ans a été de 26.1 % ; elle représente 11.4 % de la production totale d’électricité renouvelable et 2.4 % de la production mondiale d’électricité [12].

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Tab. I.1 : Production mondiale d’électricité éolienne en 2011 et 2012 en (TWh)

Pays 2011 2012 % 2012 États-Unis 120.5 140.9 26.4 Chine 88.6 118.1 22.1 Espagne 42.4 49.1 9.2 Allemagne 48.9 46.0 8.6 Inde 24.9 30.0 5.6 Royaume-Uni 15.5 19.6 3.7 France 12.2 14.9 2.8 Italie 9.9 13.4 2.5 Canada 10.2 11.8 2.2 Danemark 9.8 10.3 1.9 Total mondial / 534.3 100

L’énergie éolienne est la deuxième source d’électricité renouvelable après l’hydraulique. L’Europe de l’Ouest est en 2012 la première région productrice avec 36.8 %, devant l’Amérique du Nord (28.6 %) et l’Asie de l’Est et du Sud-Est (23.3 %) ; l’Asie du Sud (5.6 %), l’Europe centrale (2.1 %) et l’Océanie (1.5 %) ont amorcé leur démarrage depuis quelques années ; l’Amérique centrale (0.7 %), l’Afrique du Nord (0.4 %), l’Afrique Subsaharienne (0.04 %) et le Moyen-Orient (0.04 %) sont encore peu impliqués [12]. La production a été multipliée par dix en une décennie ; les taux moyens de croissance sur 10 ans sont particulièrement élevés en Asie de l’Est et du Sud-Est (+57.5 % par an) et en Amérique du Nord (+30.4 %), qui rattrape rapidement l’Europe de l’Ouest (+18.4 %). En 2012, la filière éolienne a été, après l’hydraulique, la seconde par sa contribution à la croissance de la production d’électricité renouvelable (30 %).

I.2.5 L’éolien dans l’Afrique

La puissance éolienne installée en Afrique a progressé de 58 % en 2014, passant de 1612 MW fin 2013 à 2545 MW fin 2014 ; le Maroc a pris la première place sur le continent africain en termes de puissance installée avec 1157 MW répartis en 15 parcs ; l’Égypte se place au deuxième rang en Afrique par 610 MW fin 2014, en progression de 60 MW [5]. L’Afrique du Sud se place au troisième rang avec 570 MW installés fin 2014, après avoir mis une décennie pour installer ces premiers 10 MW d’éoliennes, elle est en train de développer 3000 MW à 5000 MW de projets éoliens, dont 636 MW en construction et 562 MW proches de leur bouclage financier ; le plan directeur énergétique (Power Sector Integrated Resource Plan 2010-2030) prévoit 9000 MW éoliens d’ici 2030.

L’Algérie présente un potentiel éolien considérable qui peut être exploité pour la production d’énergie électrique, surtout dans le sud où les vitesses de vents sont élevées et

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peuvent dépasser 4 m/s (6 m/s dans la région de Tindouf), et jusqu’à 7 m/s dans la région d’Adrar [13, 14, 15].

Fig. I.5 : Carte annuelle de la vitesse moyenne du vent en (m/s) en Algérie (2009-2010)

Les ressources énergétiques de l’Algérie ont déjà été estimées par le CDER (Centre de Développement des Énergies Renouvelable) depuis les années 90 à travers la production des Atlas de la vitesse du vent et du potentiel énergétique éolien disponible en Algérie.

Ceci a permis l’identification de huit zones ventées susceptibles de recevoir des installations éoliennes [16] :

 Deux zones sur le littoral

 Trois zones sur les hauts plateaux  Trois zones en sites sahariens.

La réalisation de la première ferme éolienne en Algérie, d’une puissance de 10 MW à Adrar (sud-ouest), a été confiée Janvier 2010 au groupe français VERGNET. Ce dernier a été retenu par la Compagnie de l’Engineering de l’Électricité et du Gaz (CEEG), filiale du groupe SONELGAZ [17].

Le potentiel éolien de ces régions a été estimé à 172 TWh/an dont 37 TWh/an économiquement exploitable soit l’équivalent de 75 % des besoins nationaux en 2007 [17]. Les trois régions situées au sud-ouest du Sahara (Tindouf, In Salah et Adrar) semblent être les plus favorables à l’installation de fermes éoliennes, car elles cumulent à elles seules un potentiel économique approchant les 24 TWh/an.

La figure (I.5) présente la carte des vents en Algérie établie par le centre de développement des énergies renouvelables CDER, division énergie éolienne [13].

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I.2.6 Emplacement des parcs éoliens

Les parcs éoliens se situent naturellement là où il y a un niveau de vent suffisant tout au long de l’année pour permettre une production maximale. Les côtes, les bords de mer et les plateaux offrent des conditions intéressantes en termes de vent, mais il faut aussi tenir compte de l’impact sur le paysage [9]. Pour ces raisons, lorsque c’est possible, des parcs éoliens offshores sont construits. Ces derniers comportent des dizaines d’éoliennes comme on peut le voir sur la figure I.6.

Fig. I.6 : Installation d’éoliennes offshore en Mer du Nord (Photo Gunnar Britse)

I.3 Caractéristiques générales d’un parc éolien

Un parc éolien est une centrale de production d’électricité à partir de l’énergie du vent [18]. Il est composé de plusieurs aérogénérateurs et de leurs annexes :

 Plusieurs éoliennes fixées sur une fondation adaptée, accompagnée d’une aire stabilisée appelée « plateforme » ou « aire de grutage »

 Un réseau de câbles électriques enterrés permettant d’évacuer l’électricité produite par chaque éolienne vers le ou les poste(s) de livraison électrique (appelé « réseau inter-éolien »)

 Un ou plusieurs poste(s) de livraison électrique, concentrant l’électricité des éoliennes et organisant son évacuation vers le réseau public d’électricité au travers du poste source local (point d’injection de l’électricité sur le réseau public)

 Un réseau de câbles enterrés permettant d’évacuer l’électricité regroupée aux postes de livraison vers le poste source (appelé « réseau externe » et appartenant le plus souvent au gestionnaire du réseau de distribution d’électricité)

 Un réseau de chemins d’accès

 Éventuellement des éléments annexes type mât de mesure de vent, aire d’accueil du public, aire de stationnement, etc.

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Fig. I.7 : Schéma descriptif d’un parc éolien terrestre

I.3.1 Eléments constitutifs d’une éolienne

L’éolienne (ou aérogénérateur) est définie comme un dispositif mécanique destiné à convertir l’énergie du vent en électricité, composé des principaux éléments suivants : un mât, une nacelle, le rotor auxquels sont fixées les pales, ainsi que, le cas échéant, un transformateur. Les aérogénérateurs se composent de ces cinq principaux éléments [18, 19].

Fig. I.8 : Éléments constitutifs d’une éolienne

I.3.1.1 Mât

Le mât, pylône ou tour a pour rôle, d’une part de supporter l’ensemble rotor plus nacelle pour éviter que les pales ne touchent le sol, et d’autre part, de placer le rotor à une hauteur

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suffisante, de manière à sortir autant que possible le rotor du gradient de vent qui existe à proximité du sol, améliorant ainsi la captation de l’énergie. La tour cylindrique est une structure en acier d’une hauteur comprise entre 60 et 100 mètres, à l’intérieur de laquelle se trouvent l’échelle d’accès et les câbles électriques de raccordement au réseau.

I.3.1.2 Moyeu

En général c’est une pièce d’acier moulé, il reçoit les pales sur des brides normalisées et se monte sur l’arbre lent du multiplicateur. Pour sa conception on utilise des éléments finis. Il est souvent protégé par une coupe en polyester en forme d’obus qui a une forme aérodynamique (plus esthétique que fonctionnelle)

I.3.1.3 Nacelle

Située en haut de la tour et qui comporte toute l’installation de production d’électricité : le multiplicateur, le (ou les) générateur(s), les systèmes de frein et d’orientation de l’éolienne et tous les équipements automatisés d’asservissement de l’ensemble des fonctions de l’éolienne. La nacelle est une structure en acier ou en fonte à laquelle tous ces éléments sont attachés.

I.3.1.4 Rotor

Fait tourner le mécanisme d’entraînement et le générateur. Les pales doivent être légères, solides et durables, pour résister à l’action des éléments. On les construit habituellement en matériaux composites à base de fibre de verre, en plastique renforcé ou en bois. Le rotor ne tourne pas trop vite [19]. C’est le diamètre des pales qui détermine la quantité d’électricité produite par le système. L’éolienne compte habituellement deux ou trois pales, le rotor à trois pales réduit les contraintes mécaniques que subit le système, mais son coût est plus élevé.

 Les rotors à pas variable : le mécanisme est presque idéal, car on optimise la vitesse de rotation et la puissance (presque constante), en fonction du vent disponible. Mais un tel dispositif est complexe et coûteux [20].

 Les rotors à pas fixe : ralentir automatiquement à partir d’une certaine vitesse. La conception des pales conduit à un effet aérodynamique qui réduit l’efficacité du rotor. Cette technologie entraîne néanmoins une variation plus importante des vitesses du rotor et exige de réguler davantage le courant de sortie [20]. En outre, par vents forts, et bien que la turbine ralentisse, les pales, toujours face au vent, exercent de fortes pressions sur la nacelle et le mât.

I.3.1.5 Pales

Le rotor, et tout particulièrement les pales, constituent la partie mécanique la plus importante de l’éolienne. L’efficacité globale de l’aérogénérateur dépend fortement de celle-ci [19].

Plusieurs éléments caractérisent ces dernières tels que : la longueur, la largeur, le profil, le matériau et le nombre.

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Fig. I.9 : Montage des pales d’éolienne

Parmi ces éléments, certains sont déterminés par des hypothèses de calcul, puissance et couple et d’autres sont choisis en fonction du critère tels que : couts, résistance au climat.

I.3.1.5.1 Longueur

Le diamètre de l’hélice est en fonction de la puissance désirée, la détermination de ce diamètre fixe aussi la fréquence de rotation maximum, que l’hélice ne devra pas dépasser pour limiter les contraintes en bout de pales dues à la force centrifuge. Il est essentiel de prendre en compte le travail des pales en fatigue et les risques de vibration, surtout pour les très longues pales. Pour les roues à marche lente, ayant une inertie importante, le diamètre reste limité à 8 m à cause de leur comportement lors de rafales du vent. Pour les roues à marche rapide, la longueur des pales peut être grande, supérieure à 30 m.

I.3.1.5.2 Largeur

La largeur des pales intervint pour le couple de démarrage qui sera d’autant meilleur que la pale sera large. Mais pour obtenir des vitesses de rotation élevées, on préférera des pales fines et légères. Le résultat sera donc un compromis.

I.3.1.5.3 Profil

Il est choisi en fonction du couple désiré. Pour la plupart des aérogénérateurs de moyenne et de faible puissance, les pales ne sont pas vrillées. Par contre, pour la plupart des machines de grande puissance (≥ 100 KW), elles le sont, c’est-à-dire qu’elles prennent la forme d’une hélice. Les caractéristiques des différents profils sont déterminées en soufflerie. Ils ont en général été étudiés pour l’aviation (ailes ou hélices)

I.3.1.5.4 Matériaux

Les matériaux choisis doivent répondre aux objectifs techniques d’assurance qualité avec la prise en compte des nouvelles réglementations vis-à-vis du respect de l’environnement. Il est donc important de choisir avec prudence : la classe des fibres, la classe de la matrice et la mousse constituant le sandwich (mousse adaptée à la mise en œuvre) [21].

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Les caractéristiques mécaniques des matériaux sélectionnés sont déterminées après plusieurs essais de traction, compression, flexion, torsion, délaminage, flambage, fatigue, contrôle de fibres en volume, etc. [21].

Les valeurs obtenues seront comparées aux valeurs calculées en tenant compte des aspects environnementaux et sanitaires qui peuvent être caractérisés par une approche d’éco-caractérisation et des éco-coefficients représentatifs de la fonction d’éco-conception.

Fig. I.10 : Conception d’une pale d’éolienne

On rencontre plusieurs types de matériaux :

 Le bois : il est simple, léger, facile à travailler et il résiste bien à la fatigue, mais il est sensible à l’érosion, peut se déformer et est réservé pour des pales assez petites.  Le lamellé-collé : c’est un matériau composite constitué d’un empilement de lamelles

de bois collées ensemble. Il est possible de réaliser des pales jusqu’à 5 à 6 m de longueur ayant un bonne tenue à la fatigue.

 Les alliages d’aluminium : pour des pales allant principalement jusqu’à 20 m de longueur.

 Les matériaux composites : Leur intérêt est de permettre la réalisation de toutes les formes et dimensions, ainsi que d’obtenir les caractéristiques mécaniques exactes recherchées : pale vrillée, corde évolutive et changement de profil [22].

I.3.1.5.5 Nombre de pales

Les éoliennes à marche lente ont généralement entre 20 et 40 ailettes et ont un couple de démarrage proportionnel au nombre de pales et au diamètre ; leur rendement par rapport à la limite de Betz (voir Annexe A) est faible, car leur vitesse en bout de pale est limitée. Les éoliennes à marche rapide sont généralement bipales ou tripales. La roue bipale est la plus économique et la plus simple, mais elle est génératrice de vibrations qui peuvent être importantes. La roue tripale présente moins de risque de vibration, d’où fatigue et bruit plus faibles, mais elle est plus compliquée et plus lourde.

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I.3.2 Emprise au sol

Plusieurs emprises au sol sont nécessaires pour la construction et l’exploitation des parcs éoliens [18] :

 La surface de chantier est une surface temporaire, durant la phase de construction, destinée aux manœuvres des engins et au stockage au sol des éléments constitutifs des éoliennes.

 La fondation de l’éolienne est recouverte de terre végétale. Ses dimensions exactes sont calculées en fonction des aérogénérateurs et des propriétés du sol.

 La zone de surplomb ou de survol correspond à la surface au sol au-dessus de laquelle les pales sont situées, en considérant une rotation à 360° du rotor par rapport à l’axe du mât.

 La plateforme correspond à une surface permettant le positionnement de la grue destinée au montage et aux opérations de maintenance liées aux éoliennes. Sa taille varie en fonction des éoliennes choisies et de la configuration du site d’implantation.

Fig. I.11 : Illustration des emprises au sol d’une éolienne [18]

Si les éoliennes ont évolué en taille et en puissance dans le monde entier, leur technologie actuelle est également sensiblement différente des premières éoliennes installées. Les technologies sont aujourd’hui plus sûres et plus fiables grâce à de nombreuses évolutions technologiques telles que :

 les freins manuels (sur le moyeu) de rotor qui ont été remplacés par des systèmes de régulation aérodynamiques (pitch), évitant l’emballement et assurant des vitesses de rotation nominales constantes ;

 l’évolution des matériaux des pales vers des fibres composites ;

 le développement de nouveaux systèmes de communication par fibres optiques, satellites, etc. qui ont permis d’améliorer la supervision des sites et la prise de commande à distance ;

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 l’installation de nouveaux systèmes de sécurité (détection de glace, vibrations, arrêt automatiques, etc.).

I.3.3 Principe de fonctionnement d’une éolienne

Les instruments de mesure de vent placés au-dessus de la nacelle conditionnent le fonctionnement de l’éolienne. Grâce aux informations transmises par la girouette qui détermine la direction du vent, le rotor se positionnera pour être continuellement face au vent.

Les pales se mettent en mouvement lorsque l’anémomètre (positionné sur la nacelle) indique une vitesse de vent d’environ 10 km/h et c’est seulement à partir de 12 km/h que l’éolienne peut être couplée au réseau électrique. Le rotor et l’arbre dit « lent » transmettent alors l’énergie mécanique à basse vitesse (entre 5 et 20 tr/min) aux engrenages du multiplicateur, dont l’arbre dit « rapide » tourne environ 100 fois plus vite que l’arbre lent. Certaines éoliennes sont dépourvues de multiplicateur et la génératrice est entraînée directement par l’arbre « lent » lié au rotor. La génératrice transforme l’énergie mécanique captée par les pales en énergie électrique [19, 23].

La puissance électrique produite varie en fonction de la vitesse de rotation du rotor. Dès que le vent atteint environ 50 km/h à hauteur de nacelle, l’éolienne fournit sa puissance maximale. Cette puissance est dite « nominale ».

Tab. I.2 : Découpage fonctionnel de l’installation

Élément de

l’installation Fonction

Fondation Ancrer et stabiliser l’éolienne dans le sol

Mât Supporter la nacelle et le rotor

Nacelle

Supporter le rotor

Abriter le dispositif de conversion de l’énergie mécanique en électricité (génératrice, etc.) ainsi que les dispositifs de contrôle et de sécurité

Rotor/pales Capter l’énergie mécanique du vent et la _{transmettre à la génératrice} Transformateur Élever la tension de sortie de la génératrice avant _{l’acheminement du courant électrique par le réseau} Poste de

livraison

Adapter les caractéristiques du courant électrique à l’interface entre le réseau privé et le réseau public

Pour un aérogénérateur de 2,5 MW par exemple, la production électrique atteint 2500 kWh dès que le vent atteint environ 50 km/h. L’électricité produite par la génératrice correspond à un courant alternatif de fréquence 50 Hz avec une tension de 400 à 690 V. La

Chapitre I État de l’art des éoliennes

19

tension est ensuite élevée jusqu’à 20 000 V par un transformateur placé dans chaque éolienne pour être ensuite injectée dans le réseau électrique public.

Lorsque la mesure de vent, indiquée par l’anémomètre, dépasse les 100 km/h (variable selon le type d’éoliennes), l’éolienne cesse de fonctionner pour des raisons de sécurité. Deux systèmes de freinage permettront d’assurer la sécurité de l’éolienne :

 Le premier par la mise en drapeau des pales, c’est-à-dire un freinage aérodynamique : les pales prennent alors une orientation parallèle au vent.

 Le second par un frein mécanique sur l’arbre de transmission à l’intérieur de la nacelle.

I.4 Raccordement électrique

Le raccordement d’éoliennes au réseau global de distribution électrique (sans stockage local de l’énergie) nécessite, comme pour les autres centrales de production électrique, des lignes haute tension [23, 24]. La concentration des éoliennes en parcs terrestres, côtiers ou maritimes correspond à une logique de centralisation de l’offre de courant.

Fig. I.12 : Raccordement électrique d’un parc éolien [24]

I.4.1 Réseau inter-éolien

Le réseau inter-éolien permet de relier le transformateur, intégré ou non dans le mât de chaque éolienne, au point de raccordement avec le réseau public. Ce réseau comporte également une liaison de télécommunication qui relie chaque éolienne au terminal de télésurveillance. Ces câbles constituent le réseau interne de la centrale éolienne, ils sont tous enfouis à une profondeur minimale de 80 cm.

I.4.2 Poste de livraison

Le poste de livraison est le nœud de raccordement de toutes les éoliennes avant que l’électricité ne soit injectée dans le réseau public. Certains parcs éoliens, par leur taille, peuvent posséder plusieurs postes de livraison, voire se raccorder directement sur un poste