Energies Marines

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La sous-station électrique, élément clé d’un champ éolien offshore

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Les sous-stations électriques sont considérées comme l’élément critique des parcs marins d’éoliennes. Ce sont en effet ces structures qui permettent de transformer l’électricité produite par les machines pour la transférer vers la terre. Elles servent également de relais pour le pilotage à distance du parc, qui comprend selon sa taille, son positionnement géographique par rapport à la côte et le réseau alimenté, une ou plusieurs sous-stations.

Elever la tension pour limiter les pertes d’énergie

Assurant la même fonction qu’un poste de transformation terrestre, les sous-stations comprennent généralement deux grands transformateurs électriques. Ils servent à élever la tension de l’électricité générée par les turbines des éoliennes afin de limiter les pertes dans les câbles alimentant le réseau terrestre. Il faut en effet se rappeler que la sous-station est située au sein du parc, c’est-à-dire à plusieurs dizaines de kilomètres de la côte. A titre d’exemple, la distance à la terre de la sous-station P34, en cours de construction à Saint-Nazaire en vue d’équiper en 2018 le champ Arkona (60 éoliennes de 6 MW), installé en Baltique, sera approximativement de 35km, le câble export mesurant en tout quelques 90 kilomètres.  

 

(© STX FRANCE)

 

De 33.000 à 220.000 volts

Si des études sont en cours pour monter la production initiale à 66.000 volts, le standard est pour le moment du 33.000 V (HTA) en sortie des éoliennes. Au sein des transformateurs, le courant passe à de la très haute tension (HTB), le voltage dépendant de celui du réseau terrestre qui sera alimenté. Par exemple sur le P33, livré en 2014 par STX France pour le champ britannique Westermost Rough (36 éoliennes de 6 MW), le courant quittant la sous-station pour gagner la terre affiche 150.000 V, alors qu’il sera de 220.000 V pour le P34.

La sous-station dispose également d’un tableau électrique très haute tension, appelé GIS (gas insulated switchgear) pour le courant HTB expédié vers la terre et un tableau électrique moyenne tension qui sert de point d’entrée à l’électricité HTA provenant des éoliennes.

 

Le futur P34 (© STX FRANCE)

Interconnexions des éoliennes

On notera à ce propos que le champ éolien n’est pas constitué d’un réseau en étoile reliant chaque machine à la sous-station. L’utilisation de câbles triphasés permet en fait de connecter plusieurs éoliennes entre elles et donc de réduire le nombre de lignes connectées aux transformateurs. Selon la puissance des éoliennes et la taille du champ, seuls 4 à 12 câbles arrivent généralement à la sous-station, où ils sont logés dans de grands tubes en forme de « J » intégrés à la fondation.  

Evidemment, les tableaux sont équipés de disjoncteurs afin de couper le système en cas de défaillance et, ainsi, assurer la protection du réseau, en amont comme en aval de la structure.

 

Sur le topside du P33 (© MER ET MARINE - VINCENT GROIZELEAU)

De nombreux auxiliaires

La sous-station dispose, par ailleurs, de très nombreux auxiliaires, alimentés par un réseau basse tension dont l’énergie provient des éoliennes lorsque celles-ci fonctionnent. Si ce n’est pas le cas, le courant est envoyé depuis la terre par les câbles et, en cas d’indisponibilité, des générateurs diesels de secours prennent le relais.

Il s’agit notamment d’alimenter les systèmes de sécurité, qu’il s’agisse de détection de fumée et de feu, de lutte contre les incendies, de vidéosurveillance ou d’éclairage d’urgence. Il faut aussi alimenter différents équipements, comme la climatisation (HVAC) avec un système adapté à l’évacuation de la chaleur émise par les transformateurs, ou encore les appareils de levage servant aux opérations de manutention (notamment pendant les phases de maintenance), l’éclairage de la sous-station en intérieur comme en extérieur, ainsi que le système de commande et de contrôle.

Des structures automatisées car inhabitées

Ce dernier est également un élément clé de la structure puisque les sous-stations, si elles disposent généralement de petits locaux vie (cuisine, sanitaires) pour les équipes de maintenance, sont conçues pour être inhabitées. Elles sont donc automatisées et disposent d’un ensemble d’outils logiciels et de systèmes, appelés SCADA, permettant d’assurer la supervision à distance par des opérateurs situés dans un centre de contrôle terrestre. Ce dernier dispose en temps réel de tous les paramètres liés au fonctionnement et à la sécurité de la sous-station, mais également des éoliennes qui en dépendent et dont elle centralise les informations fournies par de nombreux capteurs. Ces données sont transmises au moyen de fibres optiques, intégrées dans les câbles sous-marins. Ce dispositif permet non seulement de surveiller le bon fonctionnement de l’ensemble du parc, notamment sa production électrique, mais aussi de détecter immédiatement le moindre problème. Et c’est aussi par le SCADA que les opérateurs, à terre, peuvent piloter le champ éolien en décidant par exemple d’arrêter une ou plusieurs machines.

Grâce aux automates et au recours à des systèmes intelligents, le champ va, en réalité, s’autogérer la plupart du temps et réagir de manière automne en fonction de l'évolution de l'environnement où d'un évènement anormal. Les éoliennes vont par exemple adopter toutes seules la meilleure orientation face au vent pour optimiser la production des turbines et, si les rafales deviennent trop puissantes, elles se mettront automatiquement en « drapeau ».

Résister dans un environnement très dur

Conçues pour une durée de vie d’au moins 25 ans, les sous-stations sont extrêmement robustes et réalisées selon les normes très strictes de l’offshore pétrolier et gazier. Leur fabrication fait appel à des aciers de très haute qualité (inox 316L), des matériaux composites (GRP), de la peinture très résistante ou encore des procédés de soudage spécifiques. L’ensemble permet à la structure de supporter les énormes contraintes subies dans des zones aussi rudes que la mer du Nord, tant en termes de vent que de houle, tout en étant protégée au mieux contre la corrosion puisque contrairement à un navire, une sous-station ne peut passer régulièrement en cale sèche.

La sous-station, au coeur d'un dispositif très redondé, est dimensionnée pour limiter au maximum la maintenance, en particulier les interventions humaines. Lorsque celles-ci sont nécessaires, les équipes techniques sont acheminées par bateau sur les sous-stations, qui disposent généralement de deux plateformes de transfert de personnel (boat landing). Certaines sont également équipées d’une plateforme hélicoptère permettant un transport par voie aérienne, y compris de certains équipements, qui sont autrement transbordés au moyen de grues.

 

STX FRANCE (Chantiers de Saint-Nazaire)