Témoignage client - ReliaWind

Le projet européen ReliaWind utilise Windchill Quality Solutions pour améliorer la conception des éoliennes de nouvelle génération

Logo ReliaWindWindchill Quality Solutions permet à ReliaWind de maîtriser la conception, le fonctionnement et la maintenance de ses futures éoliennes onshore et offshore.

Projet ReliaWind, Union européenne

ReliaWind est le premier projet à l'échelle européenne réunissant les principaux acteurs de l'éolien pour mettre au point les outils, les modèles et les règles de conception des éoliennes de nouvelle génération. Réuni en mars 2007 pour débattre des énergies renouvelables, le Conseil de l'Union européenne s'est mis d'accord sur la déclaration suivante : « D'ici 2020, les énergies renouvelables doivent couvrir au moins 20 % de la demande européenne en énergie. »

Estimant que l'énergie éolienne peut jouer un rôle majeur à cet égard (et contribuer à atteindre les objectifs d'amélioration de l'efficacité énergétique et de réduction de 20 % des émissions de dioxyde de carbone d'ici à 2020) le Conseil de l'Union européenne a chargé un groupe de dix leaders de l'industrie et du monde universitaire de mener des recherches de fiabilité afin d'optimiser la conception, l'exploitation et la maintenance des éoliennes. Dans le cadre de leurs recherches pour développer de nouvelles solutions plus efficaces, les membres de ce groupe ont utilisé Windchill Quality Solutions afin d'analyser les données de fiabilité et de maintenabilité des éoliennes actuelles, et mettre au point les conceptions futures.

Le cas

Pour répondre à la demande en énergie de l'Union européenne avec de l'énergie renouvelable à hauteur de 20 % d'ici 2020, il est indispensable de développer les parcs éoliens en mer. Pourtant, l'instabilité des conditions climatiques, certaines situations extrêmes, l'air marin, l'eau salée et la difficulté d'accès augmentent les risques liés à l'installation, l'exploitation et la maintenance des éoliennes en mer. Pour rendre les investissements dans les éoliennes en mer plus attrayants, le Conseil de l'Union européenne a reconnu la nécessité d'optimiser la fiabilité et la maintenabilité des éoliennes.

Cette optimisation n'est cependant pas simple. Le déploiement des éoliennes en mer nécessite de mettre en œuvre des technologies anticorrosion avancées et de placer des unités électriques à certains endroits de l'éolienne en tenant compte de l'environnement. Par ailleurs, les stratégies de maintenance pour les opérations de service et de réparation en mer impliquent non seulement de raccourcir les délais de réparation mais aussi d'améliorer l'accessibilité pour diminuer l'impact des vents et des vagues.

turbinesDans le souci de concevoir pour la fiabilité, le Conseil de l'Union européenne a mis sur pied le projet ReliaWind, alloué 5,5 millions d'euros aux dix organisations participantes et accordé un délai de trois ans pour améliorer la conception, la construction et la maintenance des éoliennes. Doté d'un budget total de 7,7 millions d'euros, ReliaWind devait développer et fournir des modèles de fiabilité spécifiques aux éoliennes à tous les acteurs du secteur éolien.

ReliaWind devait former ces acteurs à utiliser les modèles pour aborder les activités de développement sous l'angle de la fiabilité, et informer les autres organisations de leurs recherches par le biais de conférences, d'ateliers, de sites Web et d'initiatives de communication dans les médias dans le but d'influencer la construction de nouvelles éoliennes dès 2015.

Avantages des parcs éoliens en mer

Les parcs éoliens en mer présentent de nombreux avantages par rapport aux installations terrestres, notamment :

  • Plus grande variété de modèles de vents marins, créant par conséquent davantage de turbulences pour une plus grande efficacité des éoliennes
  • Tendance des vents marins à souffler davantage en journée, c'est-à-dire lorsque la demande énergétique est au plus haut
  • Possibilité de développer les parcs éoliens en mer à proximité de grandes populations, permettant ainsi l'utilisation de lignes plus courtes pour acheminer l'énergie
  • Possibilité de générer de l'énergie éolienne pour les nombreux pays de l'Union européenne qui n'ont pas de sites appropriés pour accueillir des parcs éoliens terrestres
  • Impact environnemental réduit des installations en mer sur l'avifaune

Problèmes de fiabilité relatifs aux parcs éoliens en mer

Malgré leurs avantages, les installations en mer présentent aussi quelques défis sur le plan de la fiabilité et nécessitent :

  • Des pales, des mâts et d'autres composants plus durables en raison des vents marins et des conditions climatiques plus rigoureuses
  • La diminution du nombre de composants globaux pour simplifier la conception à un minimum de composants d'une grande fiabilité
  • Une conception modulaire pour faciliter le changement des composants déficients
  • Des technologies anticorrosion et d'obturation à l'eau efficaces pour protéger la surface et l'intérieur des pièces
  • L'automatisation de la maintenance préventive au maximum de façon à espacer les interventions en raison des coûts et des difficultés d'accès

Les objectifs

Le principal objectif de ReliaWind consistait à faire évoluer le secteur éolien en alignant les coûts de développement des parcs éoliens en mer sur ceux des parcs terrestres. S'il n'est pas inhabituel pour une éolienne terrestre de connaître une ou plusieurs défaillances sur l'année, ce manque de fiabilité est inacceptable en mer car les coûts liés à l'immobilisation et à la réparation sont nettement plus importants. Pour attirer les investisseurs, un parc éolien en mer doit être opérationnel à plus de 97 %.

Pour atteindre ce niveau, ReliaWind a fixé plusieurs objectifs de fiabilité ambitieux pour les éoliennes sur terre et en mer :

  • Amélioration de 20 % du MTBF (temps moyen entre défaillances) pour les éoliennes en mer et de 10 % pour les éoliennes sur terre
  • Amélioration de 50 % du MTTR (temps moyen avant réparation) pour les éoliennes en mer et de 20 % pour les éoliennes sur terre
  • Amélioration de la disponibilité opérationnelle, passant de 85-90 % à 97-98 % en mer, et de 97-98 % à 98-99 % sur terre
  • Réduction du coût énergétique à moins de 0,04 euro le kilowattheure

L'approche

Pour mieux comprendre la fiabilité des éoliennes et améliorer les conceptions futures, ReliaWind a mis au point une approche intégrée pour l'analyse des systèmes actuels.

  1. Recueillir auprès des constructeurs et des fournisseurs les données relatives aux défaillances et à la maintenance des éoliennes actuelles, puis uniformiser ces données. Avec Windchill Prediction, définir la hiérarchie du système et estimer la fiabilité au niveau du système, du sous-système et du composant afin de déterminer les éléments présentant les taux de défaillance les plus élevés.
  2. Avec Windchill OpSim, créer un RBD (reliability block diagram) et intégrer les données collectées pour calculer les mesures comme la disponibilité, l'indisponibilité, le MTBF (temps moyen entre défaillances), le taux de défaillance, le nombre de défaillances attendu, l'indisponibilité moyenne, la durée d'immobilisation totale, la fréquence des défaillances et le taux d'incident.
  3. Avec Windchill FMEA, identifier les modes de défaillance, leurs causes et leurs effets, évaluer leur impact potentiel sur le système, déterminer comment éliminer ou limiter les effets indésirables d'après le niveau de criticité.

Les résultats

Collecte et uniformisation des données graphique

  • Qu'est-ce que c'est ? La qualité des résultats d'analyses dépend de la qualité des données utilisées. Les études réalisées précédemment sur la disponibilité des éoliennes se basant sur des données très générales et d'une qualité douteuse, il fallait impérativement commencer par rassembler et préparer des données fiables sur les défaillances et la maintenance des éoliennes en exploitation.
  • Quelle utilisation ? Les bases de données, les journaux d'erreurs, les enregistrements manuels, les instructions et les rapports d'exploitation mensuels fournis par les exploitants des parcs éoliens et les fabricants de composants ont été passés en revue par ReliaWind qui a ensuite développé une taxonomie standard des éoliennes et un format de structure de données commun.
  • Quel résultat ? Après avoir créé et rempli la base de données, ReliaWind disposait de données d'exploitation valides et utilisables provenant de plus de 250 parcs éoliens dans le monde, opérationnels depuis un an au moins ou même depuis 15 ans. ReliaWind s'est basé sur les données de défaillances de plus de 290 éoliennes pour définir une défaillance comme étant l'arrêt d'une éolienne pendant une heure ou plus et nécessitant au moins un redémarrage manuel pour redevenir opérationnelle. Avec des données de qualité à sa disposition, ReliaWind a pu commencer à utiliser Windchill Quality Solutions pour analyser, et mieux comprendre, la fiabilité des éoliennes.

Windchill Prediction

  • Qu'est-ce que c'est ? La prévision de fiabilité est une forme d'analyse de fiabilité très courante permettant d'estimer le taux de défaillance de pièces ou de composants. Ces taux de défaillance sont généralement calculés à partir de normes mondialement reconnues comme MIL-HDBK-217, Telcordia (auparavant Bellcore) et IEC TR 62380. Chacune de ces normes fournit des équations ou des modèles de taux de défaillance servant à calculer le taux de défaillance des composants en fonction des valeurs fournies pour les contraintes, la qualité de la pièce, la température et d'autres facteurs environnementaux. Le taux de défaillance global représente la somme de tous les taux de défaillance de composant.
  • Quelle utilisation ? Pour deux configurations d'éolienne génériques, ReliaWind a intégré 12 sous-systèmes séparés dans des définitions de système, puis a utilisé Windchill Prediction pour mélanger les modèles de calcul de différentes normes (avec les données d'élasticité en exploitation, pour des composants identiques et similaires, les données fournisseur et divers manuels de données de défaillance pour les pièces mécaniques et non électroniques) afin de déterminer les taux de défaillance estimés.
  • Quel résultat ? Pour ces configurations, les sous-systèmes présentant les taux de défaillance les plus élevés étaient le module du rotor, le système de pas, le module d'énergie et le module de la nacelle. À partir de ces informations, ReliaWind a commencé à étudier comment modifier ces sous-systèmes de manière à en améliorer la fiabilité. Les possibilités incluaient l'utilisation de composants plus fiables, l'application de nouveaux processus ou technologies, et l'élimination des défauts individuels qui concouraient à la défaillance du système complet.

Windchill OpSim (optimisation et simulation)tableau

  • Qu'est-ce que c'est ? Un bloc diagramme de fiabilité est une représentation visuelle d'un système complexe analysé à l'aide d'algorithmes mathématiques sophistiqués afin de produire des données complètes de fiabilité et de maintenabilité. Alors que les prévisions de fiabilité supposent la configuration en série de tous les composants, les blocs diagrammes de fiabilité peuvent tenir compte de mécanismes de tolérance aux pannes, tels que les redondances et les systèmes de sauvegarde.
  • Quelle utilisation ? La facilité d'ajout de redondances en parallèle et en série et de systèmes de sauvegarde dans Windchill OpSim a permis à ReliaWind d'effectuer des études de compromis évaluant si des modifications de conception du système influenceraient suffisamment la disponibilité opérationnelle pour justifier des complexités et des coûts de maintenance et de composants supplémentaires.
  • Quel résultat ? En dérivant les résultats pour chaque mois sur une année (8 760 heures de fonctionnement), ReliaWind a élaboré un bloc diagramme de fiabilité avec blocs en série pour vérifier la constance du taux de défaillance système de l'éolienne dans le temps. La disponibilité a atteint un état stable après une période équivalant à quatre fois le MTTR (temps moyen avant réparation), ce qui correspond à la définition analytique de la fonction disponibilité. Grâce aux techniques avancées de simulation et d'optimisation de Windchill OpSim, ReliaWind a analysé des scénarios complexes comme l'utilisation de systèmes redondants et de composants de rechange. La capacité à prévoir les conditions des futures éoliennes lui a permis d'évaluer comment une planification des ressources et de la maintenance plus efficace et plus proactive pourrait réduire les coûts d'exploitation et de maintenance et augmenter la disponibilité des éoliennes.

Windchill FMEA

  • Qu'est-ce que c'est ? Une AMDE ou analyse des modes de défaillances et de leurs effets (FMEA, failure mode and effects analysis) est une approche ascendante utilisée pour analyser la conception et les performances d'un système, à un niveau donné du système. Elle implique l'identification de tous les modes de défaillances potentiels, la détermination de l'effet de chaque mode et l'évaluation du risque lié à chaque effet afin d'éliminer ou de limiter les risques inacceptables.
  • Quelle utilisation ? Pour créer une AMDE pièce-article, qui commence au niveau du composant et tient compte de la criticité du mode, ReliaWind a utilisé Windchill FMEA avec MIL-STD-1629, norme reconnue de longue date et utilisée partout dans le monde par des organisations publiques, militaires et commerciales pour calculer la criticité d'un mode. Le classement des modes a permis à ReliaWind d'éliminer ou de limiter les effets inacceptables des modes qui affectaient le plus la disponibilité opérationnelle de l'éolienne.
  • Quel résultat ? Après avoir procédé à la distribution des 81 modes identifiés dans une matrice de criticité en fonction de la probabilité et de la gravité de chaque mode, ReliaWind a pu facilement déterminer les modes entraînant les risques les plus élevés, ainsi que les actions correctives nécessaires pour éliminer ou réduire l'apparition de ces modes. Les actions consistaient notamment à rechercher des méthodes de détection des défaillances et des dispositifs de correction pour les modes catastrophiques et critiques de manière à maximiser la fiabilité, la durée de vie du composant et la disponibilité de l'éolienne. Pour optimiser à la fois la production d'énergie et les charges exercées sur les composants critiques, il fallait utiliser la meilleure technologie de détection pour les contrôles de supervision, les diagnostics et les pronostics.

Les livrables

Avant de parvenir au terme de ce projet de trois ans, ReliaWind a atteint des objectifs en donnant les résultats suivants :

  • Fournir un ensemble commun de protocoles et de normes pour assurer l'interopérabilité entre les différents constructeurs d'éoliennes et les clients
  • Intégrer des technologies, des méthodes et des applications dans un ensemble cohérent d'outils de surveillance et de contrôle à distance
  • Développer un jeu d'applications cohérent prenant en charge l'optimisation de l'exploitation et de la maintenance afin de maximiser la disponibilité des éoliennes et de minimiser le coût de l'énergie éolienne
  • Former les partenaires, et d'autres parties concernées, aux outils nécessaires pour aborder les futures activités de conception sous l'angle de la fiabilité
  • Communiquer les résultats du projet au secteur éolien européen via des conférences, des ateliers, des sites Web et des initiatives de communication dans les médias

Conclusion

Les avantages d'une solution d'analyse de la fiabilité totalement intégrée comme Windchill Quality Solutions proviennent de sa capacité à utiliser une source de données unique avec plusieurs modules d'analyse. Non seulement Windchill Quality Solutions élimine le processus d'entrée de données redondantes qui est long et générateur d'erreurs, mais il permet également une exploitation efficace d'informations héritées et actuelles dans les calculs de prévision de la fiabilité pour contribuer à la conception du nouveau système.

En utilisant les données du système pour l'analyse du risque, les modules Windchill FMEA et l'arbre de défaillances peuvent quantifier la probabilité et la gravité des risques du système, en tenant compte de la défaillance des composants comme facteur de risque. Une analyse totalement intégrée réalisée avec plusieurs modules Windchill Quality Solutions tient compte simultanément de différents aspects de la fiabilité du système, permettant ainsi de gagner du temps et de rationaliser les analyses.

Source : ReliaWind EWEA 2011 Side Event : « Improving Turbine Reliability », Bruxelles, 15 mars 2011, « Design for Reliability - a FMEA Study » de Stefano Barbati et Luca Barbati, anciennement Relex Software Corporation Italia, Italie