les dossiers du Loss Prevention Unit les éoliennes on shore

les dossiers
du Loss Prevention Unit
les éoliennes
on shore
réinventons
l’assurance
Le 19 septembre 2010, en France, dans la Drôme, une éolienne s’emballe et prend feu suite à un
fort coup vent sur le secteur. L’origine de ce sinistre est attribuée au frein automatique hydraulique
qui n’aurait pas rempli sa fonction. Pour quels motifs ? Il est probable qu’un composant électronique
n’était pas convenablement connecté et n’enregistrait donc pas les données réelles. Cette anomalie,
suivie de la surchauffe des composants mécaniques, a provoqué l’incendie de la nacelle. En outre, les
fortes vibrations qui en ont résulté, subies par l’installation, ont gravement endommagé la fondation
de la tour.
Le remplacement de l’éolienne va prendre de nombreux mois. Le préjudice matériel total est de
4.700.000 EUR, à majorer des pertes d’exploitation. Cet exemple démontre que ce nouveau type de
production d’énergie engendre de nouveaux risques et des sinistres plus importants qu’on ne pourrait
imaginer.
Mais qu’est ce qu’une éolienne et quels sont ces risques ? Ce cahier devrait permettre d’y voir plus clair.
Qu’est-ce qu’une éolienne ?
Une éolienne est un équipement qui transforme l’énergie cinétique
du vent en énergie mécanique et ensuite électrique. Ce cahier se
rapporte aux éoliennes de moyenne et grande puissance - les plus
exploitées industriellement - et qui sont généralement des modèles
à axe horizontal.
Une éolienne se compose essentiellement des éléments suivants :
• le mât qui place le rotor à une hauteur suffisante pour permettre sa rotation dans une zone de vent
plus fort et plus régulier qu’au sol. Il supporte la nacelle et le rotor. Le mât abrite parfois une partie
des équipements électriques/électroniques et toujours les câbles transportant l’électricité vers le
réseau. Fait de métal ou de béton post-contraint, il est fixé sur une fondation en béton fortement armé,
elle-même souvent ancrée au sol par des pieux.
• la nacelle, montée au sommet du mât et qui abrite les composants mécaniques, hydrauliques,
pneumatiques et électriques/électroniques. La nacelle pivote selon la direction du vent.
• le rotor (A), composé de plusieurs pales (en général 3) et du nez de l’éolienne, est fixé à la nacelle.
Le rotor entraîné par l’énergie cinétique du vent convertit celle-ci en énergie mécanique. Les pales
empruntent les technologies de l’aéronautique et sont actuellement fabriquées à partir de matériaux
composites (résine polyester et fibres de verre ou de carbone).
• le générateur (B) qui transforme l’énergie mécanique produite par le rotor en énergie électrique. La
vitesse de rotation du rotor (12 à 16t/min) est cependant insuffisante pour le bon fonctionnement du
générateur (1.500 à 2.000 t/min). Un système mécanique, le multiplicateur (C) est dès lors intercalé
entre le rotor et le générateur.
• des éléments annexes comme :
• le convertisseur (D) électronique de puissance qui ajuste la fréquence du courant produit par
l’éolienne à celle du réseau électrique auquel elle est raccordée (50 Hz en Europe) tout en permettant
au rotor de l’éolienne de tourner à vitesse variable en fonction de la force du vent ;
F
A
B
D
C
E
image © Repower Systems SE
• le transformateur (E) de puissance situé dans la nacelle ou en partie basse du mât, qui permet de
porter la tension de l’électricité produite par le générateur (600 à 1.000 V) à la tension du réseau
(15 à 30.000 V).
Un poste de distribution au sol destiné à injecter l’énergie électrique produite dans le réseau, complète
l’installation.
L’éolienne est dotée de systèmes automatiques qui permettent
notamment :
• d’orienter le rotor perpendiculairement à la direction du vent afin d’en extraire le maximum de force
motrice (yaw system) ;
• de modifier l’angle d’incidence des pales (pitch) par rapport au vent afin, d’une part, d’optimiser la
vitesse de rotation du rotor et donc la récupération d’énergie, mais aussi de ralentir celui-ci en cas de
vents trop violents ;
• d’arrêter complètement la rotation du rotor par un frein automatique (F).
Grâce à ces automatismes et à un système de supervision à distance, la sécurité de fonctionnement de
l’éolienne est assurée en continu car elle peut être arrêtée automatiquement et très rapidement en cas
de nécessité.
La plage de fonctionnement, en vitesse de vent, varie de 15 à 90 km/h (voire 120 km/h). Pour la
plupart des éoliennes, au-delà de 90 km/h, des problèmes de sécurité mais aussi d’usure ou de fatigue
anormale apparaissent.
Une éolienne se caractérise essentiellement par sa puissance exprimée en MW qui est en relation
directe avec sa hauteur et surtout le diamètre des pales.
S’il y a encore peu de temps, on parlait d’éoliennes de 1,5 à 2 MW, aujourd’hui, on construit couramment
des modèles de 5 à 7 MW avec un diamètre de pale de plus de 100m.
Le coût de construction et d’installation de telles machines suit bien entendu la même tendance.
Quels sont les principaux types de sinistre ?
Dans ce dossier, seuls les dommages aux installations et leurs pertes
consécutives sont traités à l’exclusion notamment des dommages
aux personnes et aux tiers.
En fréquence, la première cause de sinistre est la perte de tout ou
partie d’une pale occasionnée soit :
• par une faiblesse de la structure de la pale ou de sa fixation au moyeu,
• par une mise en survitesse de la machine.
La survitesse, causée par une défaillance du système de sécurité par vent violent, amène rapidement
des contraintes inacceptables au sein des pales et de leur fixation au moyeu. Les accidents de pales
peuvent être limités à l’éjection d’un morceau de pale. Mais, du fait des contraintes et vibrations
violentes qui en résultent, l’ensemble des pales et de la nacelle peut se trouver déséquilibré et entraîner
la ruine de la machine.
La foudre constitue une deuxième cause d’incidents. Le mât lui-même, malgré ses protections,
peut être foudroyé avec des conséquences, en général, sur tout le matériel électrique et être à l’origine
d’un incendie. Les pales qui se chargent d’électricité statique peuvent être également foudroyées. Ce
phénomène entraîne parfois l’explosion de la pale, constituée essentiellement d’une enveloppe creuse
en matériau composite.
L’échauffement anormal des parties mécaniques, par suite d’une défaillance
des systèmes de lubrification ou de refroidissement, ou encore en raison d’une «survitesse» du rotor
engendrant une vitesse de rotation inacceptable pour la génératrice ou le multiplicateur, peut conduire
à des sinistres majeurs tout comme la surchauffe du système de freinage d’urgence voire la production
d’étincelles. L’association avec des fuites d’huiles accidentelles sera de nature à provoquer un important
risque d’incendie.
Les conditions atmosphériques peuvent également engendrer des incidents comme la
formation de couches de givre sur les pales entraînant la chute ou le jet de blocs de glace ou encore
générant des balourds pouvant endommager tout ou partie de la structure.
Enfin, le non-respect des règles d’exploitation et de maintenance
(insuffisance des points contrôlés, fréquence trop faible, manque de contrôle après travaux, …) est
également à l’origine de plusieurs sinistres.
La période de maintenance
est aussi une période critique. Ainsi, les travaux à point
chaud, la manipulation des huiles, la mise hors circuit de dispositifs de sécurité sont autant de sources
d’aggravation.
Dommages matériels
Les principaux dommages possibles sont le bris (du mât, des pales, des machines tournantes),
l’incendie, les désordres aux fondations - causés notamment par la tempête, le givre, la foudre, l’action
de l’électricité et la surchauffe.
Les éoliennes se distinguent des autres installations de production d’énergie – traditionnelles ou
alternatives – par le fait qu’elles sont exposées à un risque élevé de perte totale.
Les raisons de cette vulnérabilité résident entre autres dans un(e) :
• forte concentration de valeur dans la nacelle,
• concentration de sources d’inflammation potentielles dans la nacelle,
• exposition directe aux phénomènes naturels (foudre, tempête, grêle, gel,…)
• fonctionnement automatisé sans présence humaine et piloté à distance
• impossibilité de lutter manuellement contre le feu étant donné, entre-autres, les difficultés d’accès
(situations isolées, hauteur)
Quelles que soient la nature et l’importance du sinistre, la reconstruction peut générer des frais
aussi élevés que les coûts initiaux, voire même les dépasser.
Pertes d’exploitation
Les dommages matériels évoqués entrainent généralement de longues périodes d’arrêt des installations
avec des conséquences financières importantes. D’autres facteurs influencent le délai d’interruption
notamment :
• l’accord des autorités locales,
• la proximité du fabricant et du réparateur,
• l’accès pour les engins de manutention,
• l’évolution rapide de la technologie rendant le remplacement de certains composants difficile voire
impossible.
Quelles sont les principales mesures de prévention ? Les mesures de prévention s’appliquent tant aux éoliennes qu’à leurs équipements
connexes (cabine d’injection sur le réseau, câbles de raccordement, …).
Le tableau synoptique en dernière page brosse un large mais non-exhaustif panorama des mesures de
prévention liées aux principaux risques.
Parmi celles-ci, attirons l’attention sur certaines mesures matérielles telles que :
• l’emploi de matériaux non inflammables et d’huiles avec un point d’éclair élevé ;
• le placement d’un système de détection d’incendie rapide le plus généralisé possible et couvrant au
minimum l’ensemble des points critiques (tels que les armoires de commandes, le convertisseur, le
générateur, le transformateur, les faux-planchers avec câbles et conduites…). Ces systèmes devront
entraîner la transmission de l’information vers l’extérieur (centrale de surveillance) ainsi que les
asservissements adéquats en vue de mettre l’éolienne en sécurité ;
• le placement de systèmes d’extinction automatique protégeant l’ensemble de la nacelle ou au minimum
les éléments critiques cités au point précédent. Les principes de transmission et d’asservissement
seront similaires à ceux de la détection ;
• la protection appropriée contre la foudre au niveau de la nacelle et des pales ainsi que des principaux
appareils électriques.
De bonnes mesures matérielles ne sont rien sans un bon monitoring et un contrôle permanent des
paramètres principaux (température de l’huile, l’intensité du courant, …) avec un arrêt automatique du
rotor et une déconnexion complète du système d’alimentation électrique.
La qualité et la fréquence adéquate de la maintenance préventive des éoliennes participent aussi dans
une grande mesure à la sécurité et à la préservation des équipements.
La maintenance prévisionnelle est généralement réalisée selon les prescriptions des constructeurs mais
peut éventuellement dépasser ces impositions (en temps ou en nature) afin d’accroître la sécurité de
fonctionnement.
Elle doit porter au minimum sur l’analyse des huiles, l’analyse vibratoire des équipements tournants,
l’analyse thermographique et les contrôles électriques
• analyse des huiles : les éoliennes présentent des besoins importants en lubrification. L’analyse des
huiles permet de détecter des anomalies telles que l’usure par abrasion, la contamination par des
particules internes ou externes à l’éolienne.
• analyse vibratoire : les machines tournantes que sont les éoliennes sont exposées à des contraintes
importantes pouvant engendrer à terme des vibrations anormales menant à des pannes graves ou des
ruptures de matériaux. Ces vibrations peuvent se transmettre à toute la structure et même affecter les
fondations. Les principaux défauts mis en évidence par l’analyse vibratoire sont le déséquilibre des
lignes d’arbre, la dégradation des accouplements et l’usure des roulements.
• thermographie : elle permet de détecter durant le fonctionnement normal de l’éolienne des surchauffes
d’origine mécanique (rotor, multiplicateur, arbre lent) ou d’origine électrique (moteur, alternateur,
tableaux, transformateur, condensateurs, câbles…).
Conclusion
Avec l’apparition des règlements et des normes (ex. : Guidelines CFPA-Europe, IEC-61400-1,…),
on peut penser que les éoliennes actuelles sont plus « sécurisées » que celles de la première
génération.
Toutefois, la probabilité d’un sinistre majeur reste bien réelle et souligne la nécessité d’analyser
rigoureusement chacun des projets et de les évaluer selon des critères d’assurance.
L’introduction de mesures de prévention telles que précitées et de gestion des risques peut réduire
considérablement la fréquence ou l’importance du sinistre.
On peut regretter que la plupart des mesures de protection et/ou prévention soient souvent des
options non prévues dans les offres de base des constructeurs. Elles devraient être intégrées dès
le départ de l’étude. En effet, la compacité et la complexité des installations rendent toutes
modifications ultérieures difficilement réalisables.
Revue des risques et des mesures de prévention
Période de montage - essais
Risques potentiels
Mouvements du sol
Environnement (végétation, bâtiments existants)
Situation géographique (zones sismiques,
inondables, tornade, foudre, sel, gel, ..)
Constructeur / monteur
Câbles et équipements vers réseau
Vandalisme
Protections possibles
Essais de sol au niveau de la fondation, stabilisation et/ou empierrement des accès pour
les engins de chantier
Création d’une zone dégagée adaptée aux dimensions des pales
Vérification de la cartographie de la zone
Vérification des références de chantier selon la complexité du montage (pales en un ou
plusieurs éléments par ex.)
Limiter les biens à monter à une seule journée de travail - Limiter la longueur de la fouille
ouverte
Analyse de l’étude d’incidence
Période d’exploitation : risques externes
Risques potentiels
Environnement (végétation, incendie)
Situation géographique (zones sismiques,
inondables, …)
Tempête
Grêle
Gel / glace
Foudre
Corrosion (environnement salin - d’origine
électrique)
Heurts d’aéronefs + d’oiseaux
Heurts de véhicules terrestres
Vandalisme/Attentat (dommages aux pales et à la
cabine)
Travaux de maintenance et de réparation
Rupture du réseau électrique public
Mesures de prévention
Sols rendus non combustibles par l’entretien des abords dans un périmètre de sécurité
fixé en fonction du diamètre du rotor
Vérification de la cartographie de la zone, protection du matériel au pied de la tour
(surélevé ou placé en nacelle)
Orientation des pales : système actif de réglage de l’angle d’incidence des pales (pitch),
qualité des pales (matériaux utilisés), débrayeur, sécurité de fonctionnement en mode
tempête.
Vitesse maximale des vents prise en considération pour le dimensionnement
Nature des matériaux utilisés pour les pales
Chauffage des pales, mesurage en continu du balourd avec dispositif d’arrêt automatique
Evaluation des risques maximum possible selon la norme IEC 62305. L’étude des risques
doit englober la nacelle, les pales, les installations au sol en ce compris les raccordements
au réseau.
Choix des matériaux (acier, matériau composite) / système évitant la présence d’humidité
dans les équipements techniques / protection cathodique
Zones d’approche aérienne, suivi ornithologique
Consignes d’exploitation des sites/terrains proches - clôtures
Alarme intrusion et protections mécaniques des accès aux équipements
Permis de feu, formation du personnel, moyens de première intervention, présence et
contrôle d’un engin de levage incorporé
Fonctionnement en court-circuit possible pendant les microcoupures (2 à 3 sec)
Déconnexion / arrêt / redémarrage / reconnexion automatique en cas de coupure
prolongée
Alimentation de secours des équipements de régulation / contrôle
Période d’exploitation : risques internes
Risques potentiels
Incendie
Electricité – Explosion d’origine électrique
Surtensions de foudre
Phénomènes électromagnétiques
Courants parasites (harmoniques, …)
Bris hydraulique et mécanique (échauffement,
fuite)
Vibrations
Matériaux utilisés
Système de refroidissement
Système de lubrification
Manque de surveillance
Manque de maintenance
Vieillissement de l’installation
Emballement (déficience du système de freinage)
Synchronisation avec le réseau
Mesures de prévention
Moyens de 1ère intervention, dispositif de détection automatique d’incendie, dispositif
d’extinction automatique conforme (CO2 , gaz inerte, water spray, …), asservissements
adéquats (mise en sécurité de l’éolienne), compartimentage coupe-feu (ex. transfo)
Contrôle annuel par Organisme Certifié (HT, BT, calibre du disjoncteur principal, diélectrique,
examen thermographie)
Type de transfo et de condensateurs (secs, huile) – Qualité de l’isolation des câbles
électriques
Protection générale d’entrée (éclateurs) complétée par une protection « fine » au niveau
des différents équipements
Protection et compatibilité électromagnétiques des organes de régulation et de détection
Présence de filtres
Analyse des huiles, rétention, choix de l’huile
Mesure en continu au niveau du rotor, des pales, du multiplicateur, du générateur, du
mât,…- surveillance de la délamination des pales, fiabilité des fixations des câbles et
canalisations
Comportement au feu (plastiques, isolants, …), qualité des câbles (dégâts de fumées …)
Contrôle des températures ambiantes et locales – vérification de l’efficacité du système de
ventilation forcée
Mesure en continu des pressions, températures et niveaux
Télésurveillance (controlroom) : vers qui, procédure d’intervention, délai d’intervention,
permanence 24h/24 ?
Contrat de maintenance et sa portée, vérification de l’état des pales, contrôle des
soudures, post-contrainte, verticalité, mesure de vibrations
Age du matériel et upgrades éventuels
Mise en sécurité rapide (inclinaison des pales et orientation du rotor) + alimentation
électrique de secours du frein mécanique
Mise en puissance progressive en maintenant des gradients de puissance admissibles
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