L'augmentation significative des dimensions des éoliennes est nécessaire aux objectifs de production énergétique du programme H2020. Les éoliennes de grandes dimensions (HH>100m) permettent en effet d'exploiter des vents plus forts, plus stables et plus disponibles. Cependant, pour assurer leur durée de vie et de bonnes performances mécaniques, la structure de l'éolienne doit être surdimensionnée et en particulier le mât. Cela réduit alors la rentabilité de l'éolienne par rapport aux autres ressources énergétiques. Une optimisation structurelle est donc nécessaire à l'amélioration de la rentabilité économique de l'énergie éolienne.

Cette étude s'inscrit dans la continuité du travail réalisé au cours du projet EOLIFT (Freyssinet / INSA / Université du Havre). Nous avons cherché à réduire le coût du mât d'une éolienne. Sachant que la hauteur du mât est fixée par la conception afin d'assurer la production énergétique, il reste alors les diamètres et les épaisseurs comme paramètres à optimiser. Le coût de construction est lié à la quantité de matériaux utilisés ainsi qu'aux manœuvres de construction associées. Ainsi, la fonction « objectif » à minimiser est basée sur le volume de matériau employé, éventuellement pondéré par une fonction reflétant le coût de sa mise en œuvre.

Les contraintes d'optimisation sont quant à elles liées à la géométrie de la structure, à sa tenue mécanique ainsi qu'à son comportement dynamique. En effet, certains critères géométriques sont imposés par le mode d'édification spécifique de la tour. La résistance mécanique est vérifiée, dans cette première approche, par le calcul des états limites issus, par exemple, des Eurocodes du Génie Civil. Enfin, d'autres critères en rapport avec la dynamique de la tour sont pris en compte, comme ses modes de résonnance, dont les fréquences doivent être situées dans des plages admissibles par l'aérogénérateur, définies par le constructeur.

Le mât étudié, dans un premier temps, a une hauteur au niveau du moyeu (HH) de 140m. Le matériau employé est un béton précontraint. La section du mât est tronconique dans sa partie basse et cylindrique dans sa partie haute. Les épaisseurs du mât à différentes hauteurs sont choisies comme variables d'optimisation. La tour éolienne est sollicitée suivant plusieurs cas de charges représentatifs des états limites : vents extrêmes, arrêts d'urgences, etc. De même, différentes hypothèses de liaisons au sol sont évaluées : un encastrement rigide ou une liaison souple.

Des méthodes de type COBYLA ou ALPSO ont été mises en œuvre pour trouver la solution optimale permettant de minimiser la masse totale du mât tout en satisfaisant les contraintes mécaniques. Un modèle de poutre 1D par éléments finis est utilisé pour évaluer les états de contraintes ainsi que les modes propres du mât, à chaque itération de la boucle d'optimisation.

En 177 itérations, la masse totale de la tour a été réduite de 30% par rapport à la version initiale, tout en maintenant sa résistance à un niveau admissible. Néanmoins, cette première étude ne tient pas compte de la fatigue des matériaux, fortement dimensionnante dans les ouvrages en béton précontraint.

Ainsi, dans une seconde approche actuellement à l'étude, des critères supplémentaires liés aux états limites de fatigue et à la force de précontrainte ont été introduits. Des résultats préliminaires sur l'optimisation d'une tour hybride (acier, béton, bfup) seront présentés.

L'outil d'optimisation est développé en langage python, pour sa flexibilité. Il a ainsi été possible de coupler le calcul par éléments finis réalisé par Code_Aster (EDF) à différentes librairies d'optimisation (SciPy, pyOpt). Cela permettra également d'optimiser la structure d'une tour soumise à divers scénarii de fonctionnement de l'éolienne, ou bien munie d'un amortisseur dynamique, par couplage avec FAST (NREL). Enfin, cet outil autorise, grâce à une interface graphique, une utilisation industrielle.