Créé le : 03/08/2009
En général, une ligne d'arbre d'une éolienne intègre un multiplicateur. Des études sont en cours actuellement pour supprimer celui-ci dans la mesure où son coût est important. L'objectif de cette note est d'évaluer les coûts des différentes technologies
La distinction entre les éoliennes peut se faire de deux façons :
1. Vitesse constante / Vitesse variable
2. Transmission avec multiplicateur / Eolienne à entraînement direct
On entend par vitesse variable le fait que la vitesse de rotation du rotor peut être variable en fonction de la vitesse du vent.
Inversement, une éolienne fonctionnant à vitesse constante implique une vitesse de rotation constante du rotor quelque soit la vitesse du vent.
Les avantages de la vitesse variable par rapport à la vitesse constante sont :
· Une meilleure exploitation de la puissance du vent (jusqu'à 6 % de plus que la vitesse constante),
· Une réduction des fluctuations et flickers au niveau du réseau électrique,
· Une diminution du bruit à faible vitesse,
· Une diminution des forces exercées sur les composants de l'éolienne durant les périodes de variations.
En fonction du type de générateur utilisé, il est peut être nécessaire d'élever la vitesse de rotation du rotor permettant la production d'énergie électrique d'une éolienne. Dans le cas des moteurs asynchrones, un multiplicateur est intégré entre l'hélice et le générateur, permettant ainsi de passer d'une vitesse de rotation de 10-30 tours par minute à une vitesse du rotor de 1800 tours par minute. Dans le cas de moteur à aimants permanents, cette technologie n'est pas forcement utile.
Les avantages des transmissions par multiplicateurs sont :
· Un coût d'investissement moins élevé, en effet, le générateur est beaucoup plus cher et le système passe par un convertisseur AC-DC-AC,
· Une installation plus aisée,
· Une meilleure efficacité lorsque les vents sont forts.
Les avantages des transmissions directes sont :
· La diminution du coût de maintenance du système (pas de multiplicateur),
· Le faible bruit du au système fonctionnant en vitesse variable
· Une meilleure efficacité lorsque les vents sont faibles.
La vitesse variable est souvent assimilée à transmission directe et la vitesse constante est assimilée à transmission par boîte de vitesses. Il existe cependant des systèmes avec une boîte de vitesses qui utilise la vitesse variable.
En 1997, les fabricants d'éoliennes combinaient ces différentes technologies :
[1]
Pénétration du marché des transmissions directes en 1999
89 % du marché était pris par le système de multiplicateur
11 % du marché était pris par le système de transmission directe
Seuls quelques fabricants proposent les technologies de transmission directe :
· LAGERWEY,
· ENERCON,
· ABB,
· JEUMONT,
· TACKE.
Une étude a été menée en 1997 par l'université hollandaise de DELFT, en réalisant une comparaison entre les éoliennes utilisant des multiplicateurs et des transmissions directes.
Deux méthodes ont été appliquées :
Dans une première approche, les informations concernant les coûts ont été extraites de la littérature. La synthèse de cette étude est présentée dans le tableau ci-dessous :
Notons dans ce tableau que les coûts de réalisation pour la transmission directe ne sont pas pris en compte, ce qui augmente considérablement le montant global.
D'autre part, les systèmes avec multiplicateurs ont été comparés à un système à aimant permanent. Il est précisé que ce système est moins coûteux que le système a rotor bobiné qui est le deuxième système de transmission directe.
Dans une seconde étape, les coûts ont été calculés via les fournisseurs de composants.
La conclusion est identique à la première analyse. Le coût global de la transmission directe est plus élevé.
Une étude réalisée par l'université du Michigan confirme les différences de coûts entre les éoliennes équipées de boîtes de vitesses et les éoliennes à transmission directe.
Le tableau présenté ci-après est une synthèse de cette étude :
Ce tableau met en évidence le prix global plus élevé d'une éolienne à entraînement direct comparé aux modèles A et B et au modèle avec multiplicateur.
Modèle A
Ce modèle dispose d'un moteur à 46 pôles avec un entraînement à simple étage proche des éoliennes européennes sans multiplicateur. Dans ce modèle, les caractéristiques du multiplicateur sont les suivantes : Simple étage , Ratio 1:7, engrenages cylindriques
Modèle B
Ce modèle dispose de deux étages et d'un générateur asynchrone à 8 pôles. Dans ce modèle, les caractéristiques du multiplicateur sont les suivantes : Double étage , Ratio 1:6, engrenages cylindriques
Voir en annexes pour plus de détail
Une étude récente menée par R Poore et présentée à la conférence "Global WindPOWER" à Paris le 3 Avril 2002, évalue la rentabilité d'un système de transmission hybride qui permettrait de diminuer le coût au Kw/h de l'électricité :
L'étude a consisté en l'analyse, de systèmes de transmission et de l'électronique de puissance associée.
Différents systèmes de transmission de puissance ont été comparés :
1. Un système basique constitué d'un multiplicateur à 3 étages relié à un générateur asynchrone.
2. Un entraînement direct avec un moteur synchrone sans multiplicateur.
3. Un système constitué d'un multiplicateur à un étage et d'un moteur synchrone à aimants permanents.
4. Un système constitué d'un multiplicateur à un étage et de plusieurs moteurs à aimants permanents.
5. Un système constitué de multiples éléments multiplicateur- moteur à induction.
6. D'autres systèmes tels que les générateurs Klastt, les boîtes de vitesses à limiteur de couple hydraulique "hydraulic torque limiting gearboxes"
Technologie retenue suite à l'étude :
L'étude a permis d'identifier une technologie hybride [ technologie 3 ] constituée d'un multiplicateur à un étage et d'un moteur à aimants permanents en raison de la fiabilité de l'efficacité et de la taille et du faible coût du système global.
L'électronique de puissance testée et validée, est le système SCR-SCR comparé aux technologies Diodes-IGBT, IGBT-IGBT en raison des faibles pertes générées, d'une plus grande efficacité et d'une qualité supérieure aux autres systèmes.
Le système de refroidissement sélectionné est l'eau par rapport à l'air pour des raisons de coût et de taille.
Comparaison des coûts des 5 technologies testées
En se référant au coût nominal ( Egal à 100% ) du système basique multiplicateur - moteur asynchrone, les coûts des autres systèmes sont évalués à :
· 96,3 % du coût du système de référence pour la technologie 2.
· 86,2 % du coût du système de référence pour la technologie 3.
· 86,6 % du coût du système de référence pour la technologie 4.
· 88 % du coût du système de référence pour la technologie 5.
· Les autres technologies ne semblent pas être intéressantes.
Cette étude reflète la tendance actuelle de la R&D dans le domaine des transmissions : De nombreuses solutions existent et doivent être testées, évaluées. Il s'agit de combiner des technologies existantes pour trouver un système efficace et rentable.
Afin de valider ces données, il est nécessaire d'avoir l'avis de spécialistes du domaine. Deux experts ont été interviewés par courrier électronique :
Joerg PLESSE [JuWi Windenergie GmbH ]
Paul Gipe [Wind Power for Home & Business ].
P. GIPE, Date de l'interview : 13 février 2002 :
"La concurrence est correcte entre les deux technologies. D'ici à 5 ans, aucune prévision est faisable."
J. PLESSE, Date de l'interview : 25 février 2002 :
"Il n'y aura pas de grands changements dans les systèmes de transmission d'ici à 10 ans. Au niveau mondial, seuls deux grands fabricants utilisent la technologie de transmission directe : Largerwey et Enercon . JEUMONT en France, semble se positionner sur le même créneau.
La technologie développée par ABB peut être un succès mais cela prendra un minimum de 5 ans avant qu'ils ne deviennent des concurrents importants. Le cas ABB sera certainement un cas à suivre pour avoir plus d'information sur les tendances du marché.
Au cours des dix prochaines années, le marché des entraînements directs va augmenter, mais de devrait pas dépasser les 50 % du marché global. "
D'autre part, l'abandon du projet "Windformer" d'ABB et la présentation des résultats de l'étude de Global Energy Concepts LLC ( Informations collectée au cours de la visite de l'exposition "Global WindPower 2002 " ) remet en cause l'utilisation unilatérale de l'entraînement direct. Une technologie hybride alliant un multiplicateur moins coûteux et un générateur synchrone semble se profiler au niveau de la R&D.
Ainsi, la technologie de transmission directe (sans multiplicateur) nécessite un effort de recherche et développement qui ne permet pas son application a grande échelle immédiatement. Cette technologie sera compétitive quand :
· Le coût des générateurs aura diminué.
· Le système d'installation sera plus simple.
· Le diamètre des générateurs sera diminué et les problèmes de taille seront résolus.
· La rigidité des générateurs de faibles diamètres sera amélioré.
· Les convertisseurs seront moins onéreux.
Contrairement aux systèmes avec multiplicateur qui ont été éprouvés depuis plus de 15 ans, ces technologies sans multiplicateur ne disposent pas d'un historique suffisant pour se généraliser dans l'application éolienne. Des essais doivent être poursuivis pour valider ces nouveaux modèles.
Description des modèles étudiés ( Texte original extrait de la référence [ 1 ] )
Table 1
Existing Geared Windmill Models [13].
Model Enron Wind 750i Enron Wind 1.5
Rotor diameter 46 m, 48 m, 50 m 65 m, 70.5 m, 77 m
Rated power 750kW 1500kW
Number of blades 3 3
Braking Overspeed Aerodynamic & Mechanical Aerodynamic & Mechanical
Gearbox
(number of stages) 2 stages, integrated parallel shafts
i = 40.65 3 stages, planetary spur gear
i = 72, i = 80 (for 77 m rotor)
Generator
Speed
Voltage Induction: doubly fed wound rotor
NA Rotary current asynchronous with slip rings
NA
Yawing system Active Active
Tower type Tapered, steel Conical tubular, steel
Table 2
Existing Gearless Windmill Models [3].
Model Enercon
E-40 Enercon
E-66
Rotor diameter 44 m 66 m
Rated power 600kW 1500kW
Number of blades 3 3
Braking Overspeed Aerodynamic & Mechanical Aerodynamic & Mechanical
Gearbox
(number of stages) None None
Generator
Speed
Voltage
10-23 rpm
NA
8-22 rpm
NA
Yawing system Active Active
Tower type NA NA
3 - 4 Proposed Models A and B
Below, we give a brief description of Model A and Model B which are variations in the existing gearless and geared models found in Sections 3.1 - 3.3 of this report.
Model A
This model has 46 poles and a single gear stage that makes it very similar to the European gearless model. It tries to capture the efficiency of having structure similar to the European model at the same time cutting down on generator costs by way of introducing a gear stage. In our model, we used spur gears for the single gear stage and assumed a gear ratio of 1:7 [2]. Pole pitch was taken as approximately 15 cm [11]. Most of the calculations for the generator come from scaling and matching data and figures for 80 pole E-40 Enercon model [6].
Model B
This model has 2 gear stages and an 8-pole asynchronous generator, and is thus much closer to the American model. The two gear stages were chosen to be spur gears and the gear ratio was taken to be 1:6 to account for the possible loss of efficiency with loads being transferred between gear stages [2]. Calculations involved here were mainly for the gearbox structure and sizing. To this end, we used scaling and some direct calculations using the picture of a Zond 750kW drive train and technical drawings of a 1.5 MW gearbox obtained from Cincinnati Gear Group [8] [1].
As far as the costing calculations go for models A and B, we followed the same method described in detail in Section 4 below. The assumptions on linear cost increase and dependence on weight of gear trains still hold. When adjusting for a single-stage gear, we approximated by getting the corresponding fractional value.
Joerg PLESSE
International projects
JuWi Windenergie GmbH
Dombaumeister-Schneider-Straße 2e
55128 Mainz / GERMANY
Tel +49 (0) 6131 58856-0 (direct line -41)
Fax +49 (0) 6131 58856-90
Paul Gipe
208 S. Green St., #5; Tehachapi CA 93561-1741 USA; +661 822 9150; fax: +661
822 8452; pgipe@igc.org. Wind Power for Home & Business, Wind Energy Comes
of Age, Wind Energy Basics, Energía Eólica Práctica, and Wind Power in
View: Energy Landscapes in a Crowded World. Wind Energy:
http://www.chelseagreen.com/Wind/PaulGipe.htm or
http://rotor.fb12.tu-berlin.de/personen/paul.html. Electricity Feed Laws:
http://invisibleuniverse.com/Juice/Wind/feedlaw.htm.
President Robert Z. Poore
Global Energy Concepts, LLC
5729 Lakeview Drive NW, Suite 100
Kirkland, WA 98033-7340
(425) 822-9008 Fax (425) 822-9022
Web www.globalenergyconcepts.com
rpoore@globalenergyconcepts.com
[ 1 ] Windmill design optimization through component costing
Ria Fathiyah, Ryan Mellot
McCleer Power Inc - Michigan State University
MTH 844/490
http://www.mth.msu.edu/Graduate/msim/MSIMProjectReports/MCP1.May.2001.report.doc
[ 2 ] Review of electromechanical conversion in wind turbines
Report EPP00.R03
April 2000
Maxime R Dubois
TU DELFT
Faculty ITS
Group Electrical power processing
http://ee.its.tudelft.nl/epp/Pb_003_3.PDF
[ 3 ] Advanced Wind Turbine drive train concepts
R Poore, Global Energy Concepts, USA
Global Wind Power 2002
B 8 - Technology - Emerging concepts and trends
EWEA - Le CNIT, PARIS