Développement d’éoliennes intelligentes basé sur un jumeau numérique

Défis à relever pour l’industrie éolienne

L’éolien est l’une des sources d’énergie renouvelable qui connaît la croissance la plus rapide au monde. Pourtant, le développement fulgurant de ces dix dernières années a placé l'industrie de l'énergie éolienne face à d'énormes défis techniques, et sa rentabilité a été remise en question. Le coût de l'électricité actualisé (LCOE) est un nouvel instrument de mesure de l'efficacité énergétique utilisé par l'industrie. Il permet de comparer les différentes méthodes de production d'électricité sur une base cohérente. Le LCOE désigne le coût de construction et d'exploitation d'un actif de production d'électricité pendant son cycle de vie, divisé par la production d'électricité pendant ce même cycle de vie. Pour réduire ce coût, les fabricants d'éoliennes s'efforcent d'innover et de développer des modèles plus grands, plus légers et plus intelligents. L'objectif est de réduire les coûts de production, d'exploitation et de maintenance et de produire davantage d'électricité par unité.

Les parcs éoliens sont un autre défi pour l'industrie de l'énergie éolienne. Au cours des 20 dernières années, les ressources des parcs éoliens classiques (pour les vents très forts) ont été utilisées, mais elles atteignent leurs limites. L'industrie doit donc explorer d'autres possibilités, notamment des parcs éoliens pour les vents faibles (environ 5 à 5,5 mètres par seconde).

Le secteur de l'énergie éolienne est entré dans une nouvelle ère Ces paramètres doivent être pris en compte dans le développement de nouvelles installations et posent un certain nombre de problèmes techniques.

Défis d’ingénierie

Une éolienne est une grande structure flexible soumise à une excitation aérodynamique transitoire aléatoire. Les composants de base sont les pales, les tours, les moteurs à entraînement direct et les boîtes de vitesses. En raison des effets des charges dynamiques complexes, les composants tombent parfois en panne, et le taux de défaillance est le principal responsable de la hausse des coûts du cycle de vie. Dans le cadre du processus de conception d'une éolienne, la fiabilité est une condition essentielle.

Les processus classiques de développement des éoliennes sont exécutés séparément, ce qui a un impact négatif sur leur fiabilité. En effet, dans le processus de conception, l'analyse de la charge du vent est dissociée de la conception structurelle, ce qui oblige les ingénieurs à formuler de nombreuses hypothèses, qui sont parfois inadaptées. Par ailleurs, la conception du programme de contrôle est également séparée du processus de conception structurelle. Les concepteurs de programmes de contrôle doivent faire des hypothèses sur les réponses structurelles en fonction des charges données. En raison des contraintes techniques, il arrive souvent que les concepteurs de structures ne puissent pas trouver rapidement la réponse structurelle réelle.

Le problème est encore plus grave sur le marché de l'énergie éolienne à faible vitesse, où la pale de l'éolienne est beaucoup plus longue et où le tube de la tour peut atteindre 120 à 140 mètres de haut, ce qui rend l'éolienne encore plus sensible aux charges dynamiques. Il est essentiel d'évaluer précisément la réponse dynamique des éoliennes pour pouvoir les développer. Créer un modèle de simulation numérique haute précision de l'ensemble de la machine est indispensable pour en prévoir la réponse dynamique.

La structure des grandes éoliennes est très complexe, elle comporte de nombreuses pièces et surfaces particulières. La simulation par éléments finis classique ne peut répondre aux exigences de rapidité de développement, que ce soit en termes de modélisation ou d'efficacité de calcul. Il faut donc paramétrer et simplifier le modèle afin de préparer la simulation complète des performances dynamiques de la machine.

Outre les défis liés à la conception d'éoliennes, les fabricants doivent également prendre en compte le contrôle global des parcs éoliens constitués de plusieurs éoliennes. Un moyen efficace de réduire le LCOE est d'utiliser la technologie des capteurs pour surveiller en temps réel les forces et les directions du vent, puis d'utiliser un algorithme d'optimisation pour ajuster toutes les turbines du parc afin d'obtenir une efficacité de production d'énergie optimale et de garantir la sécurité des opérations. Le recours à un "jumeau numérique" - une représentation virtuelle intelligente qui reprend et simule avec précision les propriétés et les performances des produits physiques dans le monde réel - permet d'optimiser la simulation et le contrôle intelligent des systèmes physiques.

Le choix de SANY Heavy Energy

Depuis 2016, l'équipe de développement de produits de SANY Heavy Energy a mis au point de nouvelles méthodes de prévision des charges dynamiques, élaboré des méthodes de conception numérique pour les plateformes et soutenu les opérations, ainsi que la maintenance grâce à l'optimisation des performances mécaniques et des stratégies de contrôle pour les éoliennes déjà en service.

L'équipe a mis en place un processus de simulation numérique complet, mature et efficace. Elle utilise des logiciels pour le calcul des forces du vent et l'analyse subséquente de la résistance structurelle des pièces. L'étape clé de ce processus est la prédiction de la réponse dynamique de la machine complète. Pour y parvenir, SANY Heavy Energy a comparé plusieurs solutions sur le marché et a opté pour les solutions Simcenter™ de Siemens Digital Industries Software, et notamment le logiciel Simcenter Samcef™ Wind Turbines pour la modélisation de la simulation numérique, ainsi que le solveur Simcenter Samcef pour la prédiction de la réponse dynamique de l'ensemble de la machine.

Simcenter Samcef Wind Turbines est une solution dédiée au développement de systèmes d'éoliennes. SANY Heavy Energy l'utilise pour créer un modèle de simulation haute précision capable de couvrir l'ensemble du cycle de développement (y compris la conception, la conception détaillée, le développement d'un prototype ou d'un modèle modifié, la certification, le dépannage et d'autres tâches), ce qui permet de coordonner des processus de conception habituellement distincts.

Le modèle haute précision de l'éolienne complète apporte une valeur ajoutée importante. Le modèle haute précision de la machine complète apporte une valeur ajoutée importante. Premièrement, il permet d'améliorer la qualité de la simulation en prenant en charge la simulation en boucle. SANY Heavy Energy peut importer les charges réelles du parc éolien et calculer les réponses dynamiques rapidement et avec précision afin d'optimiser les structures des éoliennes et les systèmes de contrôle. Le modèle peut également être piloté par des commandes du système de contrôle qui ajustent les paramètres nécessaires afin d'obtenir rapidement des réponses de contrôle.

La non-linéarité est un facteur de complexité supplémentaire dans la simulation des éoliennes. Pour les grands mécanismes flexibles comme les éoliennes, les rotations et les déformations importantes peuvent rendre la simulation imprécise. SANY Heavy Energy utilise les capacités de simulation multi-corps non linéaire du solveur Simcenter Samcef pour surmonter ce problème.

L'une des principales fonctionnalités de Simcenter Samcef Wind Turbines est la modélisation paramétrique des turbines. Ces modèles permettent aux concepteurs de comparer et de vérifier facilement différentes conceptions ou de modifier des conceptions existantes sans avoir à les reconstruire. Les cycles de développement sont donc plus courts et les coûts réduits. Le logiciel inclut également des outils qui rationalisent la certification des éoliennes, afin que SANY Heavy Energy puisse exécuter rapidement les séries de calculs et les rapports standard requis par les organismes réglementaires.

Jumeau numérique et éoliennes intelligentes

SANY Heavy Energy a également mis en place des contrôles intelligents pour les processus d’exploitation et de maintenance des éoliennes. Lorsque les conditions météorologiques se détériorent ou que le système de surveillance à distance envoie des messages en temps réel, l’équipe d’exploitation et de maintenance peut prédire l’état et développer une stratégie de contrôle, ou un plan de maintenance, afin d'optimiser l’efficacité globale du parc éolien tout en évitant les pannes et en prolongeant le temps de production d’électricité. Cette exploitation et cette maintenance intelligentes permettent de réduire le LCOE de manière significative.

L’utilisation des solutions Simcenter par SANY Heavy Energy a donné des résultats positifs. Les connaissances acquises grâce à la simulation de pointe ont permis à l’entreprise d’améliorer l’efficacité des éoliennes de 50 % et de réduire le LCOE prévu de plus 10 %.

"Dans un secteur éolien en pleine mutation où se côtoient de nombreux géants, SANY Heavy Energy tire son épingle du jeu en exploitant au maximum les technologies intelligentes comme le jumeau numérique afin d'améliorer l'efficacité du développement et la fiabilité des produits, ce qui lui permet de réduire le coût total de possession et de soutenir sa stratégie de produits pour les vents très faibles", a déclaré Wu Shengfei, responsable de la simulation CAE chez SANY Heavy Energy. "Dans cette démarche, Simcenter 3D, le logiciel de Siemens Digital Industries Software, constitue un atout majeur."