Énergies renouvelables : une offre très orientée vers l’éolien offshore

L’énergie renouvelable qui connaît aujourd’hui la plus forte dynamique est sans conteste l’éolien offshore, alors qu’en Europe, à la différence de pays comme la Chine, les surfaces pouvant les accueillir sur terre sont plus limitées. A contrario, les éoliennes modernes multi-mégawatts en mer sont en plein développement, avec des puissances équivalentes à 15 voire 16 mégawatts. En France, la dernière installation mise en service sur la façade Atlantique est celle de Saint-Brieuc, en Bretagne, où le parc d’Ailes Marines, filiale de l’opérateur espagnol Iberdrola - puissance de 496 mégawatts, avec les éoliennes produites par Siemens Gamesa -, est actif depuis le 28 mai 2024. 
En offshore, l’environnement est encore plus critique que sur terre pour maintenir les installations en bon état de marche : conditions extrêmes telles que l’eau salée, variations de température qui facilitent la corrosion et vibrations plus importantes que sur terre, qui nécessitent des produits de très haute fiabilité, notamment en termes de peinture ou de maintenance des freins, pour garantir un bon rendement pendant un temps suffisamment long sans intervention.

Réduire la taille et optimiser le rendement 
Le plus important demeure de conserver un couple constant sur l’arbre de la génératrice. Les dernières générations d’alternateurs se doivent donc d’avoir un excellent rendement, de l’ordre de 95 à 97 % entre la puissance mécanique qu’ils absorbent et la puissance électrique qu’ils restituent. Sur le marché de l’éolien, des acteurs comme Nidec ou KEB fournissent les alternateurs pour les génératrices des éoliennes, pour des fabricants comme Siemens Gamesa ou Vestas. Beaucoup d’autres axes sont pilotés par des moteurs électriques dans une éolienne, notamment la fonction pitch, qui permet d’orienter les pales, pour adapter le couple sur l’arbre de la génératrice en fonction du vent ou se mettre en sécurité lors d’une tempête. Mais les moteurs sont également présents pour garantir une bonne circulation de l’huile dans tout le système. « Dans tous ces réducteurs, de l’huile chauffe et doit être refroidie. Nous proposons également des solutions sur cette partie lubrification de l’ensemble des réducteurs », explique Nicolas Tanguy, responsable marketing chez Nidec. «Les génératrices ont des pertes qu’il faut refroidir. Nous devons livrer des moteurs pour la ventilation, pour refroidir l’huile en circulation, qui doit rester à une température donnée. » Parker CADE propose des produits adaptés aux applications au sein des turbines éoliennes, tels que les accumulateurs installés dans le moyeu, utilisés pour le contrôle de l’incidence et de l’orientation de l’hélice, afin d’assurer la sécurité et augmenter la réactivité du système. Ils sont aussi utilisés dans la nacelle, pour réduire l’encombrement et la puissance installée des équipements hydrauliques. Les échangeurs maintiennent quant à eux les fluides de puissance ou de lubrification à leur température optimale de fonctionnement, réduisant ainsi les risques de pannes, ce qui permet d’espacer les fréquences de maintenance. Les échangeurs sont utilisés pour le maintien en température des fluides hydrauliques de puissance ainsi que pour les fluides de lubrification. De plus, les échangeurs peuvent être revêtus afin d’augmenter la résistance à la corrosion. Atos a développé une gamme de valves directionnelles proportionnelles, spécialement conçues pour répondre aux exigences des éoliennes terrestres et offshore. Ces valves constituent l’élément clé du système, conçu pour assurer un contrôle précis et hautement dynamique de la position de l’actionneur (pitch). Ces valves se situent dans le moyeu rotatif de la turbine. Elles doivent fonctionner en présence de très fortes contraintes mécaniques : elles sont exposées à de fortes vibrations, à des chocs et à des forces de rotation ainsi qu’à la foudre. 

Dans le système Dynamic Yaw (lire l’encadré : Dynamic Yaw, les éoliennes en réseau), qui permet l’orientation de la nacelle de l’éolienne, un moteur frein permet comme pour le pitch, de se placer face au vent ou de freiner en cas de risque, lors d’une tempête, par exemple. Tous ces actionneurs permettent de bien orienter la nacelle et les pales et d’assurer la ventilation générale de la nacelle, avec le refroidissement de chaque composant indépendamment. Pour le pitch, les moteurs sont utilisés avec des variateurs de vitesse, afin de piloter finement la pale. C’est le cas du modèle Dynéo+ IE5 de Nidec, un moteur synchrone qui intègre un frein et qui combine réluctance et moteurs à aimants permanents, pour un meilleur rendement. « C’est le offshore qui l’a démocratisé, avec des pales de plus en plus longues et des contraintes de place qui ont forcé cette technologie, devenue un standard », ajoute Nicolas Tanguy. « C’est quelque chose qui fonctionne en permanence pour adresser les petites évolutions du vent et rester sur l’objectif de garder un couple constant sur l’axe de la turbine. » Chez Ringspann France, autre fournisseur d’équipements industriels, différents types de freins sont commercialisés pour l’éolien : des freins d’arrêt d’urgence, des freins de service entre le générateur et le multiplicateur et des freins de giration, ainsi que des frettes de serrage, qui servent à lier le multiplicateur avec l’arbre de l’éolienne.

Optimiser la taille, allonger la durée de vie 
Les contraintes de place forcent l’ensemble des acteurs, qu’il s’agisse de fabricants de moteurs comme Dintec, Ringspann ou KEB, ou de roulements comme SKF ou NSK, à développer de nouvelles technologies, qui deviennent ensuite des standards sur le marché de l’éolien off-shore. 
Les roulements DuraPro de SKF pour les multiplicateurs de vitesse sont actuellement le produit le plus avancé de la société, disposant de plus de puissance dans le même encombrement, ce qui permet de réduire la taille du multiplicateur. « L’objectif est de contribuer à la baisse des coûts de l’­énergie », insiste Fabrice Drommi, responsable des projets de développement chez SKF.

Afin de réduire les coûts de fabrication et de maintenance, un important fabricant européen d’éoliennes utilise les roulements à rouleaux coniques à forte capacité de charge du japonais NSK dans les multiplicateurs de ses éoliennes offshore de 15 mégawatts. Ces nouveaux roulements bénéficient d’une durée de vie supérieure, tout en étant plus légers. Schaeffler propose quant à lui son palier lisse hydrodynamique. Compte tenu de la tendance vers une plus grande densité de puissance en utilisant de plus en plus des paliers hydrodynamiques, le fabricant allemand est aujourd’hui en mesure de fournir l’axe complet du pignon, avec un profil et un traitement de surface adaptés, pour qu’un film hydro-dynamique de lubrifiant puisse s’établir entre les surfaces. Avec cette solution, il n’y a plus de roulement entre le pignon denté et son arbre, mais ce palier hydrodynamique. La société peut aujourd’hui fournir clé en main ces arbres du pignon, qui ont un traitement de surface et un profil spécial. « Au lieu que le client fabrique son arbre et que nous montions notre roulement ou notre bague par-dessus, nous fournissons la goupille qui est revêtue de bronze, confie Lyly Diep, responsable du développement commercial Wind Energy chez Schaeffler. Ce type de revêtement en bronze est appliqué directement sur la surface par laser. » Ce produit est très récent et Schaeffler n’a fourni pour l’instant que des prototypes. La fabrication en série est prévue pour 2025. 

Le plasturgiste allemand Igus a pour objectif de pouvoir implémenter ses produits dès lors qu’il y a du mouvement, comme ses paliers lisses Igutex TX1, destinés à l’éolien. « Ce n’est plus une matière injectée mais un enroulement filamentaire, une nouvelle technologie que nous développons depuis quelques années, qui permet de reprendre beaucoup plus de charges », précise Yanis Vossart, technico-commercial chez Igus. Autre produit de la société : les paliers à semelle rotulée séparable ESQM 120. Ils sont utilisés dans le photovoltaïque, afin d’orienter sur un même axe les panneaux solaires. « Nos clients dans le photovoltaïque sont très friands de ce produit que nous proposons en plusieurs tailles, avec également une résistance aux UV qui est importante pour ce secteur d’activité, ainsi qu’à la corrosion et à l’humidité. De plus, ce produit ne nécessite pas de maintenance », ajoute Yanis Vossart.

Course à la puissance 
La durée de vie d’une éolienne offshore est estimée à 20 ans, sans intervention, avec cependant des opérations de maintenance intermédiaires. Ces dernières, sans nécessiter de changer les roulements, consistent en des opérations de contrôle des joints et de la lubrification, ou de vérification de l’état des composants. Tous les fabricants de moteurs doivent répondre à une demande de génératrices de plus en plus puissantes. Dans certains parcs éoliens, il faut procéder au remplacement de génératrices asynchrones sur des éoliennes en service, démanteler et rebobiner ou reproduire une machine à l’identique. « En éolien, on arrive au bout des garanties de cinq ou dix ans de ces premières éoliennes. 

Il est rare de remplacer les éoliennes, qui souvent sont maintenues, avec le remplacement uniquement des générateurs », explique Didier Doury, technico-commercial chez Nidec. « L’avenir réside dans la fourniture de pièces de rechange ou le service, pour le maintien des machines en fonctionnement. EDF étant dans cette dynamique, nous organisons toutes nos ressources autour de cette approche. » Actuellement, la puissance des plus grosses installations, en éolien off-shore, atteint 16 mégawatts. Certains acteurs, comme Schaeffler, évoquent déjà des tests de turbines de 25 mégawatts, dans le centre d’essai dans lequel le groupe investit, en coopération avec le danois LORC (Lindo offshore renewable center). Dès 2025, le groupe disposera d’un nouveau banc de test de 35 mètres de hauteur et 18 mètres de long : « Il s’agira du plus grand banc d’essai au monde. Nous ne sommes pas propriétaires, mais nous avons investi dans cette coopération, car nous voyons l’intérêt de toujours développer ces compétences et de confirmer nos modèles. Nous serons le premier utilisateur de ce banc d’essai », indique Lyly Diep, de Schaeffler. L’augmentation de la puissance est également visible dans le onshore, où la taille des turbines augmente d’année en année. L’enjeu est de répondre aux installateurs, qui ont besoin de rentabilité. La fiabilité, la durée de vie et les coûts de maintenance revêtent une importance critique, pour parvenir au mégawatt le moins cher possible. « Certains projets, notamment en Chine ont déjà atteint 26 mégawatts, ajoute Lyly Diep.  Les perspectives sont très positives pour les prochaines années, avec des développements jusqu’en 2030, parce que nos clients continuent à se développer et d’après les rapports que l’on peut lire, on sait combien de mégawatts vont être installés et dans quelles régions du monde. » Bosch Rexroth est aussi présent dans le champ de l’éolien en mer. La société fournit des systèmes adaptés à ses clients, comme la génération hydraulique qui alimente le système de stabilisation « Subsea » de fondations d’éoliennes, pour son client français Douce Hydro.  

Ce dernier a lui-même remporté l’ensemble de la motorisation hydraulique de la structure immergée de stabilisation, pour l’Italien Saipem en charge de l’installation du champ éolien de Courseulles-sur-Mer, en phase de forage. « Cette structure immergeable permet de stabiliser la fondation le temps de la fixer au fond », explique Ludovic Stachowiak, manager technique de l’hydraulique industrielle chez Bosch Rexroth France. « Ce système électrohydraulique complet est installé en partie sur la structure qui sera immergée et en partie sur le pont du navire de soutien d’opération.»  

Douce Hydro a fait appel à Bosch Rexroth pour la partie ingénierie système, ainsi que pour la réalisation de la génération hydraulique et du contrôle commande. « Nous avons proposé un système de pilotage du système de stabilisation de la structure immergeable, donc le contrôle des mouvements des vérins et la puissance hydraulique qui alimente tout le système », ajoute Ludovic Stachowiak. L’entreprise intervient comme sous-­traitant de rang 2 et fournit des équipements nécessaires à la mise en place de l’éolien marin, comme ici une génération hydraulique complète et le ­système de contrôle livrés dans deux containers de 20’ customisé pour l’application.

Les installations hydroélectriques, source importante d’électricité
En hydroélectricité, les installations existent, pour certaines, depuis plus de 100 ans. L’important est donc de fiabiliser leur durée de vie dans le temps, en essayant d’obtenir les meilleurs rendements et des produits les plus communiquant possible. Il s’agit en effet de suivre leur état de santé électrique et mécanique et d’éviter les mauvaises surprises pendant l’hiver, de novembre à avril, période où tous ces outils de production doivent être au rendez-vous. Ringspann, en plus de l’éolien, est également présent sur les accouplements entre turbine hydraulique et générateur. L’entreprise travaille avec ceux qui conçoivent les turbines, comme HPP, un des rares fabricants français de turbines hydroélectriques.

Pour répondre aux exigences colossales des projets hydroélectriques, Vickers, mis au point par Danfoss, propose une large gamme de vérins hydrauliques sur mesure, avec des diamètres d’alésage allant jusqu’à 1,5 mètre, une course jusqu’à 20 mètres et des pressions nominales jusqu’à 350 bars. Pour garantir une longue durée de vie et un fonctionnement fiable, Danfoss propose également une gamme complète d’options de revêtement de tige de vérin, y compris Hydroclad, doté d’un revêtement de tige au laser, qui offre un haut niveau de protection contre la corrosion, de résistance aux chocs et de réparabilité sur le terrain. Récemment, SMP, fournisseur de composants à base de matières magnétiques douces, a élargi la gamme de fréquences pour les composants inductifs et les systèmes de filtrage, avec une atténuation allant jusqu’à 5 gigahertz. Les inductances de SMP sont installées à l’entrée du convertisseur, où elles se chargent de la récupération de l’énergie, et à la sortie du convertisseur, où elles sont utilisées comme inductances de filtrage. Ces inductances contribuent à la production d’énergie, qu’il s’agisse d’éolien, pour des installations terrestres ou pour des installations maritimes, de photovoltaïque, d’énergie hydraulique, de géothermie ou de biomasse. 

L’hydrolien, encore en développement 
Ringspann est aussi présent dans l’hydrolien, avec ses assembleurs expansibles. KEB l’est également, et a récemment fourni toute la partie variateur qui contrôle la turbine d’une hydrolienne de 200 kilowatts, mise en service début juillet 2024 dans le Jura. « En France, nous nous orientons plutôt vers l’hydrolien, ou vers tout ce qui est application de turbines », confie Jean-Paul Rebelo. « Nous cherchons aussi des projets pérennes, qui ne risquent pas de partir à l’étranger. » L’entreprise utilise aussi son savoir-faire dans l’éolien pour développer les applications aile-voile, avec des acteurs français.

Thompson Couplings prône l’accouplement homocinétique
Thompson Couplings, distribué en France par Eternum, veut faire bouger les choses avec ses accouplements homocinétiques. Ce type de produits peut fonctionner avec des écarts d’alignement importants et propose une alternative à l’­alignement laser. Cette nouvelle génération d’accouplements permet de prendre de grands angles sans perte d’énergie. « Par comparaison avec les anciens accouplements qui ne peuvent pas avoir d’angle, ce produit accepte les mouvements dans tous les sens, grâce au double accouplement », explique Johannes Tiellemans, gérant d’Eternum France, fournisseur d’équipements industriels. Il ajoute : « De plus, ce produit est très bien pour se protéger contre les vibrations, même avec de grands angles. Il s’agit de deux accouplements qui sont graissés à vie. La fixation de ce produit est également très intéressante, puisqu’il est possible de changer l’accouplement en cinq minutes.»

L’essor du monitoring
Dans cette optique de digitalisation, les roulements, entre autres composants, peuvent être équipés de capteurs, afin de mesurer les efforts dynamiques à l’intérieur du roulement dans des conditions extrêmes, telles que les fortes rafales de vent, hautes et basses températures ou d’éventuelles pollutions. « On parle, dans ce cas, de jumeaux numériques, car il s’agit d’un pas de plus vers la simulation de l’état de la machine sur une durée significative, grâce à des simulations beaucoup plus puissantes, ce qui permet aussi de réduire les risques lors du développement d’une nouvelle machine », présente Fabrice Drommi, de SKF. La société a mis au point la technologie Sensor Roller, soit un jumeau numérique du roulement, qui fournit une image d’une bonne partie de la turbine. Ce système de monitoring a pour but d’anticiper une panne mécanique typique et ainsi d’éviter une casse subite, nécessitant une intervention de maintenance, avec pour finalité la baisse du coût de l’électricité.

Mesures à distance 
Le principe consiste à réaliser une surveillance en opération à distance. Sur la partie motorisation, les composants qui s’usent le plus vite sont les moteurs frein, une pièce d’usure. Un exemple d’évolution vers plus d’instrumentation concerne les freins dotés d’un système de surveillance de l’usure des garnitures, proposé par Ringspann, avec un contrôle permanent et un suivi à distance. Genosys, le système mis au point par Nidec, permet lui aussi de connaître en permanence l’état de santé des alternateurs, pour éviter de tomber en panne. Schaeffler a, de son côté, mis au point le système de surveillance de la précharge Premesy, récompensé en 2021 d’un Wind Future Award, dans la catégorie « innovation technologique intelligente de l’année. Les roulements des rotors pour les éoliennes multimégawatts sont souvent une paire de deux roulements à arbre conique, et précontraints, c’est-à-dire préchargés l’un contre l’autre. La surveillance de la précharge est importante pour s’assurer que les roulements tournent bien, que tous les rouleaux sont bien sous charge et qu’il n’y a pas de glissement qui puisse endommager les pistes et que cette précharge n’augmente pas trop, ce qui a un impact négatif sur la durée de vie des roulements », confie Mathieu Bruel, directeur commercial et étude industrie chez Schaeffler.

Automatiser la détection grâce aux algorithmes
Une tendance de fond est aussi d’utiliser l’intelligence artificielle pour automatiser la détection, et de parvenir à ce que des algorithmes analysent plus de paramètres que l’humain ne peut le faire et donc avoir plus de détection automatique. « L’IA est une aide pour le monitoring en permanence de la partie électrique et mécanique des générateurs. Ce n’est plus quelqu’un derrière son écran qui analyse des courbes. C’est de l’intelligence artificielle qui réalise des statistiques, à qui on a donné des alarmes et qui fait de la redondance de défauts, en nous envoyant des alarmes toutes les semaines ou tous les mois, de façon à faire une analyse de niveau 1 ou 2 en retour client », explique Didier Doury, de Nidec.

Favoriser l’économie circulaire
Le reconditionnement, en recyclant les composants qui peuvent l’être - tels que les roulements, les systèmes de lubrification et ceux de monitoring, avec à chaque fois une offre adéquate, peut aussi permettre de réaliser des gains sur les coûts et l’impact carbone. SKF ou Thompson Couplings se placent sur ce créneau des pièces récupérables. « Sur les anciens accouplements, Thompson Couplings a acquis une expérience des pièces qui s’usent et de celles où il est possible de fournir des pièces reconditionnées », insiste Johannes Tiellemans.

L’hydrogène pour stocker l’électricité 
Un point critique pour ces technologies est leur coût et donc leur profitabilité. Un des reproches que l’on peut adresser aux énergies renouvelables, en plus de leur imprévisibilité, c’est leur intermittence, autant pour le solaire que pour l’éolien, avec une énergie qui n’est pas forcément produite au moment des pics de consommation. Pour améliorer leur rentabilité et réduire encore le coût du mégawatt, une piste consiste à stocker cette énergie, grâce à la conversion de l’électricité produite en hydrogène, par exemple. Schaeffler a pris de l’avance dans ce domaine, avec la possibilité de fournir des composants clés pour l’électrolyse. Du côté de la production d’hydrogène, le groupe est en mesure de produire et de fournir des stacks, un empilement de plaques bipolaires utilisés dans les piles à combustibles et les électrolyseurs, qui est un peu le cœur de la réaction électrochimique et permet de produire de l’hydrogène à partir d’électricité. « C’est une offre complémentaire qui peut participer à rendre ces énergies de plus en plus attractives » veut croire Mathieu Bruel. 

Schaeffler commercialise déjà des stacks jusqu’à 100 kilowatts et des prototypes jusqu’à 1 mégawatt, qui pourront bientôt être testés. Le directeur commercial et étude industrie lance donc un appel, afin de trouver des partenaires intégrateurs qui fabriquent des électrolyseurs. « Nous sommes ouverts à de nouveaux partenariats pour utiliser ces stacks dans un électrolyseur. La combinaison entre une éolienne et un électrolyseur permettra de transformer cette électricité en hydrogène, qu’il est possible de stocker dans des cuves. Les premiers pilotes de ce type sont en train de se déployer en France, comme le projet de production d’hydrogène à Fos-sur-Mer, d’ailleurs associé à de l’éolien et à du solaire. Le tout est de trouver un modèle économique pertinent. L’hydrogène a cet avantage qu’il peut être utilisé dans les procédés en préproduction et qu’il peut aider à la décarbonation. » L’éolien en mer — même s’il n’est pas très florissant en 2024, après les années record de 2022 et 2023 — apparait comme une priorité de l’actuel gouvernement. Les projets les plus prometteurs concernent peut-être l’éolien flottant, là où les fonds sont trop profonds pour installer de l’éolien posé. Il existe des endroits intéressants en Atlantique, mais aussi en mer Méditerranée, où des projets de ce type tentent de voir le jour. « Cela peut être un avantage énorme si on arrive à faire un grand parc éolien flottant en mer », imagine Johannes Tiellemans, d’Eternum. Il n’y a pas de révolution sur les produits, mais des innovations sporadiques, comme la mesure de la précharge, qui n’a pas été réellement adressée jusqu’ici. Les développements vont donc dans la fiabilisation des solutions pour s’assurer qu’il n’y a pas de défaillance, alors que les turbines sont de plus en plus puissantes, que ça tourne de plus en plus vite dans les réducteurs et que les efforts à transmettre sont plus importants. Ce qui implique une fiabilité à toute épreuve, sur des installations de plus en plus exigeantes en termes de performances, un vecteur clé du coût du mégawatt.

Cédric Blanc