Conception et optimisation des fondations d’éoliennes dans le cadre de la rentabilité des investissements dans les parcs éoliens.

08/03/2021

Jamais auparavant la question de l’optimisation des fondations des parcs éoliens n’a été aussi d’actualité qu’elle ne l’est aujourd’hui dans le contexte de la recherche du meilleur modèle de financement et de la plus grande rentabilité possible des investissements dans les parcs éoliens. En se décidant pour un tel projet, les investisseurs doivent déterminer à l’avance e taux de rendement attendu et la durée de l’investissement. Le plus souvent le financement se repose sur les tarifs d’achat (FiT), les primes d’achat (FiP), les appels d’offre, les certificats verts négociables (TGS), les contrats d’achat d’énergie ou les contrats pour différence (CFD).
Ces dernières années, nous entendons de plus en plus souvent parler d’investissements sans subventions, basés uniquement sur un prix fixe pour l’énergie produite, la soi-disant « Énergie noire ».

Il est dans l’intérêt de chaque investisseur d’optimiser les frais de la réalisation du projet indépendamment de trouver le meilleur modèle de rentabilité d’un parc éolien. Mieux le projet de parc éolien est préparé, pensé et planifié, plus il est possible d’économiser de l’argent. La plus grande réduction des frais d’investissement peut être obtenue au stade de la réalisation du projet, où l’une des dépenses les plus importantes est le frais des fondations.

L’optimisation des fondations d’une éolienne doit avant tout se faire de manière rationnelle, basée sur les connaissances et l’expérience, car l’objectif principal doit être une structure sans défaillance. La pression de marketing liée à l’obtention de commandes ne doit pas conduire à la limite de sécurité.

La conception des fondations d’éoliennes est une des plus difficiles tâches d’ingénierie. Elles ne peuvent pas être conçues par des ingénieurs sans expérience dans cette spécialité étroite et sans connaissances appropriées liées à l’influence du vent, des charges dynamiques variables et de la fatigue des matériaux. Il est nécessaire de combiner et d’adapter habilement les directives internationales, les recommandations et les exigences des fabricants des éoliennes, ainsi que les réglementations nationales, les conditions locales et les normes de conception.

À chaque fois, l’investisseur est confronté au dilemme comment équilibrer correctement les fonds destinés à l’investissement dans la phase de conception. Il faut savoir que dans le cadre de l’optimisation de la fondation des parcs éoliens, une bonne compréhension des conditions du sol a un impact significatif sur la recherche de la solution la moins chère et techniquement justifiée.

Conception et optimisation des éoliennes, étape 1 : Études du sol

Les parcs éoliens sont des installations énergétiques et leurs études du sol doivent être traitées de manière particulière. Des études géotechniques détaillées et un rapport géologique avec des recommandations d’experts doivent être effectués pour ces installations. Le géologue présent sur le chantier a la meilleure image réelle des conditions locales du sol. Il est recommandé d’effectuer des essais sur le terrain à une profondeur d’environ 1,5 multipliée par le diamètre de la fondation, la profondeur de forage la plus courante étant d’environ 20 à 25 m. Il est nécessaire de prendre en compte lors des études du sol le degré de difficulté de l’interaction des fondations avec le sol.

Il est recommandé que les paramètres géotechniques suivants soient déterminés sur la base des études sur le terrain et en laboratoire :

• type de sol avec division en couches lithologiques,
• niveau maximal de la nappe phréatique,
• paramètres décrivant les propriétés physiques du sol,
• paramètres effectifs de la résistance du sol,
• modules pour les déformations statiques et dynamiques,
• Coefficient de Poisson.

Il est bon de ne pas se limiter à un seul test spécifique, notamment en ce qui concerne les paramètres dynamiques du sol. La pratique montre que les résultats des tests peuvent varier considérablement, donnant une image incohérente du profil réel du sol. Les promoteurs et les investisseurs de parcs éoliens, qui commandent des études du sol au stade de la conception de la construction, disposent souvent d’un budget limité à cet effet. La différence des frais entre une étude détaillée et une étude de base du sol ne représente probablement qu’une petite partie de l’investissement total. Un projet qui sera le résultat d’une bonne recherche peut apporter même 10% à 15% d’économies dans le règlement final. De plus, il ne faut pas oublier que si la fiabilité des mesures au sol est trop faible, dans la phase suivante, elles devront être répétées et payées à nouveau. Les économies réalisées au stade de l’étude du sol peuvent contribuer à une augmentation des frais des fondations à la fin. Des paramètres inadaptés aux conditions réelles conduisent à concevoir le renforcement du sol ou l’empilement dans les cas où de telles solutions pourraient être évitées.

Conception et optimisation des éoliennes, étape 2 : Projets

Conformément à ICE 61400-1, la durée de vie d’une éolienne est de 20 ans. Parfois, à la demande de l’investisseur, ce délai peut être prolongé jusqu’à 30 ans. Pendant cette période, les variantes suivantes de travaux de construction peuvent avoir lieu : montage, démontage, démarrage, production d’énergie, vent extrême (survenant environ 5 fois sur 231 millions de cycles), pannes et autres. Sur la base de ces variantes, les impacts transférés au sol sont déterminés sous forme de force verticale Fz, de force horizontale Fxy et des moments : de torsion Mr et de renversement Mxy.
Impacts transférés au sol :
Il existe trois principaux cas de calcul :
• vent extrême (rafales de 50),
• charges d’urgence, fonctionnement inhabituel, panne ou destruction de l’éolienne,
• charges permanentes, auquel le détachement des fondations n’est pas admis, dans le cas des fondations gravitaires – souvent appelée « pas de fissure »; ou pas de forces de traction dans les pieux.
Tous ces trois cas dans les combinaisons de calcul appropriées peuvent être utilisés comme dimensionnement et influencer la taille et le type des fondations et de leur armature. De plus, les charges de fatigue ont une influence significative sur la quantité et la forme de l’armature. En cas de charge permanente, la rigidité rotationnelle statique et dynamique est également vérifiée. Le but de cette analyse est d’exclure la possibilité de l’effet de résonance. Le concepteur géotechnique doit avoir une bonne compréhension du comportement du sol avec les fondations associées. Ce sont les conditions du sol déterminées par des tests géotechniques qui affectent principalement les frais de renforcement du sol ou, si nécessaire, des pieux.

Une analyse géotechnique correcte est essentielle à la conception et à l’optimisation des fondations des éoliennes. En raison du fonctionnement non standard de ces structures soumises à des charges dynamiques changeantes cycliquement, l’interprétation des conditions du sol diffère de l’analyse standard.

Outre l’aspect dynamique, la présence ou l’absence de flottabilité est un paramètre extrêmement important influençant la conception. En raison de leur flottabilité, les fondations peuvent différer en volume même de> 35%. Ayant conscience de la grande influence de cela sur les frais de l’investissement, il est conseillé dans chaque cas de vérifier soigneusement les niveaux de pression de l’eau, par exemple avec des piézomètres. De plus, vous pouvez vous référer aux questionnaires d’archivage du domaine donné.
La variabilité de la situation hydrique sur une période de 20 ans peut s’avérer assez importante. Dans ce contexte, l’analyse de la situation et de la hauteur de la zone d’investissement ainsi que l’identification d’éventuels cours d’eau ou le risque de barrage d’eau sont également utiles. Si possible, le problème de la flottabilité de l’eau peut être compensé en soulevant les fondations. Bien entendu, dans un tel cas, un certain nombre de considérations multidisciplinaires doivent être prises en compte, telles que la décision environnementale, le plan d’aménagement du territoire local, la décision de l’aviation civile et militaire, les directives du constructeur de turbines et d’autres conditions locales. Il faut être conscient que les charges causées par le vent données par le fournisseur de l’éolienne se réfèrent à une hauteur spécifique et la modifier en soulevant les fondations peut affecter la valeur de ces charges.

Dans une situation où le sol n’a pas de capacité portante suffisante, il est nécessaire de le modifier pour atteindre les paramètres requis. Par exemple: en remplaçant le sol pour les fondations (rentable jusqu’à environ 1,5 mètre de profondeur), en concevant les fondation sur des pieux ou en posant directement sur un sol amélioré. Dans le cas des sols faibles, jusqu’à une profondeur d’environ 8 à 12 mètres en-dessous du niveau du sol, il est généralement moins coûteux de renforcer le sol. Mettre les pieux est le plus souvent préféré à des profondeurs plus importantes Il est également bon de prendre en compte les attentes de l’investisseur et de mener une étude active du marché afin de trouver la meilleure alternative technique, temporelle et économique.

Les fondations posées sur un sol supporté sur des piliers et sur des fondations sur pieux diffèrent les unes des autres. Ces deux cas se traduisent par une approche complètement différente du projet, un changement d’hypothèses et une vérification des calculs. Les piliers et la partie des fondations en couche de transmission font que ces deux structures travaillent indépendamment [Fig. 5]. Nous lions les pieux aux fondations à l’aide d’un renfort d’ancrage, ce qui crée un système uniforme et coopératif.

Conception et optimisation des éoliennes : Résumé

Dans la plupart des cas, le manque de connaissances suffisantes des concepteurs aboutit à un surdimensionnement important de la structure, ce qui entraîne une augmentation significative des frais de l’investissement. La conception optimale des fondations des éoliennes est une question complexe et, dans le cas de conditions de sol difficiles, elle nécessite une étroite coopération multidisciplinaire. En raison de la complexité statique et dynamique des complications des constructions mentionnées ci-dessus, le rôle des concepteurs et des géotechniciens est d’attirer l’attention des investisseurs sur les enjeux liés aux études du sol, qui sont la matière de départ pour la conception des tours éoliennes. Un projet approprié garantit une solution économique et peut générer des économies allant jusqu’à plusieurs millions d’euros avec un investissement important.