Contexte de l’éolien, état de l’art des champs de recherche et problématique industrielle

Contexte de l’éolien, état de l’art des champs de recherche et problématique industrielle

La Compagnie du vent (Engie Green), société pionnière du secteur éolien a été créée en 1989. Elle fût successivement autonome, puis filiale partielle et aujourd’hui filiale à part entière du groupe ENGIE, troisième groupe mondiale de l’énergie (hors pétrole). Elle s’est diversifiée dans plusieurs types d’énergies renouvelables, notamment le photovoltaïque. Ses principales missions sont liées à la recherche de sites, la concertation avec les publics concernés, le développement des projets, leur financement, la construction des installations et leur exploitation. L’exploitation de ses parcs éoliens revêt une importance particulière car elle contribue à l’expansion et au développement de nouveaux projets. Elle permet d’assurer desrentrées régulières de fonds financiers et reste un pilier stratégique dans le secteur de l’éolien et dans d’autres industries.
La maintenance est une fonction à part entière du secteur industriel. Elle prend une part importante dans la stratégie de développement quelle que soit sa taille de l’industrie. La stratégie de maintenance constitueun facteur clé de réussite lorsqu’elle est bien structurée et intégrée dans la stratégie globale del’entreprise.
Cet état de l’art reprend les articles principaux de chacun des domaines de recherche de la thèse. En gardant en mémoire l’objectif initial de la thèse, nous avons relevé les méthodes et outils connexes à l’approche d’optimisation des processus de maintenance telle qu’elle est pensée dans le contexte habituel de l’exploitant. Avant d’aborder notre approche de l’optimisation de la maintenance, nous allons décrire dans ce chapitre les concepts clés de la maintenance ainsi et que les principaux outils utilisés dans ce domaine.
La deuxième partie est consacrée aux Systèmes multiagents et à l’ontologie de domaine.

La maintenance et le contexte de l’éolien

Le contexte de l’éolien

L’exploitation industrielle peut se définir comme l’ensemble des processus et des outils utilisés pour produire un bien dans une industrie. C’est un terme qui englobe les actions permettant de créer de la valeur ajoutée à partir de l’infrastructure industrielle. Dans le domaine de l’éolien, ce sont toutes les actions qui ont pour finalité de permettre aux éoliennes de produire de l’électricité de manière optimale. Les notions d’exploitation et de maintenance sont étroitement liées car la deuxième est le prolongement de l’autre dans le cycle de production. Elles sont souvent concentrées dans le même service pour un meilleur suivi.
L’activité de maintenance se définit comme l’ensemble des actions destinées à maintenir en état de fonctionnement un bien. C’est l’ensemble des actions permettant de maintenir ou de rétablir un bien dans un état spécifié ou en mesure d’assurer un service déterminé [1]. Dans le domaine de l’éolien, la maintenance représente environ le tiers des dépenses de gestion des parcs. Elle a pour objectif :
▪ D’établir le diagnostic des installations et infrastructures destinées à l’exploitation
▪ De remettre l’infrastructure en état de fonctionnement si nécessaire et maximiser sa disponibilité
▪ De garantir la sécurité des personnes intervenant directement sur l’infrastructure.
▪ De réduire au maximum le ratio ( 𝑑é𝑝𝑒𝑛𝑠𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑚𝑎𝑖𝑛𝑡𝑒𝑛𝑎𝑛𝑐𝑒𝑉𝑎𝑙𝑒𝑢𝑟 𝑑𝑢 𝑠𝑒𝑟𝑣𝑖𝑐𝑒 𝑟𝑒𝑛𝑑𝑢).
Dans le cas de l’industrie éolienne, la maintenance représente un coût important qui influe énormément sur le coût d’exploitation des parcs. Chaque éolienne a une durée de vie approximative de 20 à 25 ans.
Durant cette période, l’exploitant met en place une série d’opérations destinées à garantir la disponibilité des éoliennes et leur bon fonctionnement. Cette disponibilité est déterminée en amont dans le contrat d’exploitation. Ce taux est généralement situé entre 80 et 95% en fonction des parcs.
C’est le vent qui pilote la production du parc éolien ; il a aussi un fort impact sur l’ensemble des arrêts et des pannes sur les éoliennes. Les données de vent, recueillies avant la construction du parc,permettent de définir le productible du parc avant sa mise en exploitation ; le productible peut être aussi réévalué pendant la phase d’exploitation.
La période de garantie intervient lors des deux premières années de fonctionnement du parc. Pendant cette période, le parc éolien est maintenu par le constructeur sauf pour les pannes exceptionnelles. Les données relatives aux arrêts et aux pannes interviennent après quelques années de fonctionnement lorsque l’exploitant sort de la « garantie constructeur ». Après la sortie de garantie, l’exploitant dispose de meilleures informations sur les pannes et peut optimiser son budget de maintenance suivant les risques de pannes observés. Comme dans les autres secteurs industriels, l’industrie éolienne a donné une place importante à la maintenance parce qu’elle a cerné les capacités de marge bénéficiaire qu’une bonne stratégie de maintenance peut lui permettre de réaliser.
Les coûts de maintenance ou O&M sont de plusieurs types. L’importance de chacun des coûts de maintenance dans le coût global d’O&M dans l’éolien terrestre est matérialisée dans la Figure 1 Répartition des postes de coûts O&M . On remarque que de nombreuses parties vont être influencées par les stratégies de maintenance choisies.

L’O&M : les types de maintenance

La maintenance est l’un des soutiens principaux de la production, son principal « client » [5]. Elle fait partie des axes de développement d’une entreprise. Elle représente environ 10,4% dans l’industrie automobile, 11,6% dans l’industrie pétrolière. Pour l’éolien terrestre, le coût de la maintenance est estimé à 1,5% du prix de la machine durant les premières années de fonctionnement, 3% pour les dernières années. Les coûts de maintenance sont plus élevés pour l’éolien en mer. Ils s’élèvent approximativement à 25,5 €/MW soit 14% du coût d’un MW (selon une étude du cabinet d’audit KPMG de 2010). En se focalisant sur la rentabilité économique, un des critères les plus importants reste le prix de l’énergie. Il tient compte du prix d’investissement initial mais aussi de l’exploitation et de la maintenance comme en témoigne laformule cicontre qui permet de le calculer.

Maintenance corrective

Elle se définit comme un type de maintenance faite après un diagnostic de panne et dont le but est de remettre un équipement en état de fonctionnement [7]. C’est une stratégie qui se traduit par un avantage certain relatif à l’utilisation maximale des composants de l’éolienne ; en effet, les équipements ne sont remplacés ou réparés qu’en cas de panne. Aussi appelée la « Breakdown » stratégie, elle est souvent utilisée à la suite d’une panne entraînant un arrêt de l’équipement. Or, c’est pendant cette période de vent fort que l’éolienne se doit d’être disponible à la production. L’arrêt de l’éolienne pendant la durée de maintenance corrective entraîne une perte de production conséquente. L’unique avantage d’une maintenance corrective est qu’elle permet d’utiliser l’équipement jusqu’à épuisement.

Maintenance préventive

Elle est aussi appelée maintenance prévisionnelle. Elle a pour objectif de réduire les pannes en les anticipant. Les interventions sont exécutées après une durée bien définie (annuelle, semestrielle etc.), après l’atteinte ou le dépassement d’un seuil ou après l’apparition d’un signal. Ce type de maintenance a pour objectif de réduire le risque éventuel de panne. Elle entre dans une logique d’optimisation des pannes et de maximisation de la disponibilité en période de panne. Idéalement, pour un parc éolien, ce type de maintenance est réalisé en période de vent faible pour garantir une disponibilité pendant lespériodes devents forts.

Maintenance prédictive

Elle est basée sur l’analyse de l’état de l’éolienne. L’identification de certains signes précurseurs est primordiale dans ce type de maintenance. Dans le domaine éolien, différents critères peuvent être analysés:
▪ L’analyse des huiles : les éoliennes sont des machines tournantes qui ont de forts besoins 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.
▪ L’analyse vibratoire : les contraintes mécaniques que subissent les pièces rotatives des éoliennes sont étudiées avec précision afin de prévenir de tout risque et tout arrêt de la production d’énergie.
Cela va permettre par exemple de prévenir l’exploitant de graves pannes dues aux déséquilibres des lignes d’arbres, à la dégradation des accouplements ou encore aux usures des roulements.
▪ La thermographie : en utilisant cette méthode, on peut identifier les sources d’énergie infrarouge émises par l’éolienne, effectuer des analyses sans arrêter la machine et à distance, détecter par exemple une surchauffe anormale des éléments mécaniques ou électriques.

Maintenance planifiée

Il s’agit d’une maintenance plus défensive destinée à limiter voire à empêcher les défaillances. On court cependant le risque de dépenses excessives et d’indisponibilités inutiles. Ce type de maintenance est planifié sur le calendrier au vu des données fournies par les constructeurs et du retour d’expérience de l’exploitant. Il peut s’agir dans l’éolien : d’ajout d’huile, de réglages de certaines pièces ou remplacement d’appareils dit « consommables » ou de remplacement de pièces.

Les outils et logiciels utilisés pour l’optimisation de la maintenance

Dans le cadre de l’éolien, plusieurs outils ont été développés par des laboratoires et certaines entreprises pour suivre et optimiser la maintenance des parcs éoliens. Chacun de ces outils adopte un angle de la maintenance. Ils peuvent être orientés soit sur un sous domaine de l’O&M, par exemple la gestion des pièces soit sur l’ensemble de la maintenance (pièces, ressources humaines, installation.).
L’application SINBAD développée par la société Acte industries
Prédire les défaillances est l’ambition du projet SINBAD [10] ; l’outil s’appuie sur l’idée de connaître à un instant t le comportement d’une éolienne. Ce projet est né d’une recommandation de « 20M » un organisme franco-britannique dédié à l’éolien marin (offshore) pour créer un outil numérique permettant la visualisation de l’arborescence d’éoliennes Offshores [11].
Le développement de cet outil résulte d’un partenariat entre Acte industrie et l’Université du Havre.
L’objectif de l’outil est d’anticiper les défaillances et d’ordonnancer les interventions de maintenance.
L’outil fournit aussi un retour d’expérience. Le consortium Acte Industries dispose déjà de l’expérience de deux outils :
• Le logiciel Navi’ Maint : qui permet d’organiser la maintenance et la gestion réglementaire de navires et de structures connexes
• Le logiciel Idrys qui est un outil de visualisation et de retour d’expérience sur les installations industrielles. SINBAD, résultat d’une collaboration entre le laboratoire de Mathématiques de l’Université, est un outil d’analyse des défaillances : logiciel de visualisation numérique 2D et 3D des défaillances. Il propose des stratégies de maintenance tout en participant à la maîtrise du coût économique des installations. Ce logiciel a fait l’objet d’un prototype pour EDF R&D destiné au suivi des turbines du parc nucléaire d’EDF. L’un des axes d’améliorations a été de préconiser la constitution d’une base de données commune aux exploitants nationaux pour mieux exploiter les retours d’expérience sur les turbines. Windfit : un outil d’analyse de la performance.
La société Sereema fournit un outil de suivi servant à l’optimisation de la performance des éoliennes viaune plateforme web. Associée à la maintenance. La technologie sert d’abord à déceler une baisse de performance des éoliens pour initier une maintenance. A partir de boitiers Windfit installés sur les éoliennes, les données d’exploitation du parc sont réunies dans un cloud. Il s’agit principalement de données de vent, données de températures et données de vibration des équipements au sein de l’éolienne.
Les données sont stockées dans un cloud puis interprétées avec des algorithmes de datamining et les résultats sous formes d’indicateurs mis à disposition des exploitants éoliens. Les indicateurs informent l’exploitant sur les écarts relatifs au fonctionnement normal de la machine. C’est donc un outil de comparaison qui utilise l’historique pour estimer le fonctionnement normal de machines à partir des conditions extérieures. Il faut environ entre un et deux ans d’historiques pour obtenir des résultats d’indicateurs cohérents.

L’environnement

Les objets présents dans l’environnement qui n’ont pas été réifiés en agents en objet sont autonomes.
Dans notre approche, tous les concepts liés à la panne dans l’ontologie appartiennent à l’environnement dans le système. Ils sont représentés soit sous la forme d’agent soit sous la forme d’objet. Par exemple, la panne est liée à un équipement (l’éolienne) ; elle reprend les informations relatives au descriptif, aux composants reliés et à la criticité de l’alarme. Le coût de la panne est relié à tous les paramètres financiers : coût de la pièce, coût de la prestation, coût de la perte de production.
Les agents présents dans l’environnement sont en interaction avec des objets et d’autres agents. Qu’ils soient physiques ou abstraits, ils exécutent des actions en vue de se conformer aux objectifs qui leurs prédéfinis ; les objets peuvent interagir avec des bases de données et fournir des réponses aux demandes des agents. Nous avons défini quatre groupes au sein de l’ontologie. Ces groupes nous ont permis de regrouper les concepts en fonction de leurs caractéristiques. Nous reprenons dans ce document les règles « d’AGENTIFICATION » à partir de concepts d’ontologie de l’O&M. Les règles que nous avons définies s’appliquent à tout concept d’ontologie qui serait susceptible d’être utilisé dans un environnement multiagents.
Le paradigme « multiagent » est utilisé pour simuler une situation particulière et obtenir les résultats finaux issus des interactions entre agents. Les agents sont construits pour un domaine particulier etleurs comportements traduisent des règles de fonctionnement dans ce domaine.

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Table des matières

Remerciements
Résumé
Introduction générale
Chapitre 1. Contexte de l’éolien, état de l’art des champs de recherche et problématique industrielle
Partie 1 : La maintenance et le contexte de l’éolien
Le contexte de l’éolien
L’O&M : les types de maintenance
Les différents types de maintenance
1.2.1.1. Maintenance corrective
1.2.1.2. Maintenance préventive
1.2.1.3. Maintenance prédictive
1.2.1.4. Maintenance planifiée
1.2.1.5. Maintenance palliative
1.2.1.6. La maintenance curative
1.2.1.7. Maintenance hybride
Les outils et logiciels utilisés pour l’optimisation de la maintenance
L’application SINBAD développée par la société Acte industries
Windfit : un outil d’analyse de la performance
L’OMCE : Opération and Maintenance Cost Estimator
L’estimateur développé par MECAL
Le modèle pour la maintenance d’éoliennes Offshore basé sur les SMA
Les stratégies d’optimisation de la maintenance et les méthodes développées
La gestion des pièces dans le cadre de la maintenance
Mutualisation du type de maintenance et stratégies opportunistes
Les méthodes développées basées sur la fiabilité des composants
Conclusion sur l’O&M
Partie 2 : Etat de l’art sur les systèmes multiagent et les ontologies métiers
Introduction sur les SMA
Le concept d’agent et de système multiagent SMA
Caractéristiques des agents
Les connaissances d’un agent
Les différents types d’agents
L’approche centralisée d’un SMA
L’approche distribuée d’un SMA
L’approche hybride
L’interaction au sein des SMA
La communication dans les systèmes multiagents
La négociation dans les SMA
La conception de SMA
La simulation orientée SMA
Modélisation des agents en SMA
Les plateformes existantes
Conclusion sur les SMA
Les ontologies
Positionnement de la thèse par rapport à l’état de l’art et choix des systèmes multiagent
La définition de la fonction Coût de l’O&M pour un exploitant éolien
Modélisation des agents à partir de l’ontologie (démarche méthodologique)
Chapitre 2. L’approche de l’optimisation basée sur le coût
L’optimisation par la recherche de rentabilité : un « EBITDA » adapté au contexte de la maintenance
Ontologie descriptive de la maintenance du point de vue LCV
Equipements
Indicateurs
La maintenance
Production issue des équipements
La « Fonction coût » et la performance financière des parcs éoliens
Cadre général
Cadre particulier de l’O&M chez l’exploitant LCV
Le calcul de la Fonction Coût
Le Chiffre d’affaires d’un parc éolien
2.3.1.1. Le chiffre d’affaires théorique
2.3.1.2. Le chiffre d’affaires réel
Les pertes de production
2.3.2.1. Pertes de production dues aux pannes
2.3.2.2. Pertes de production dues aux arrêts planifiés
2.3.2.3. Pertes de production dues aux bridages
2.3.2.4. Pertes dues au défaut de performance
2.3.2.5. Les pertes de production imputables aux causes extérieures à LCV
Le Coût de l’O&M
Le coût de la prestation d’intervention (Ct Prestation)
Le coût de Livraison (CLPièce)
Le coût de location du stockage (Loyer Pièce)
Le coût de revient de la pièce (CRpièce)
Le coût du matériel lourd (CML)
Les charges de personnel
Les indicateurs de la maintenance
Stratégies d’optimisation de la fonction Coût
La performance financière d’un parc éolien
De la fonction Coût à la disponibilité énergétique
De la fonction coût à la disponibilité financière
Le performance ratio
La performance financière
Les termes correctifs
Le modèle agent
Développement du prototype : les sous-systèmes de PROMEEO
TCHEX : Travail du Chargé d’Exploitation relatif à la gestion d’une intervention.
TAROM : Travail d’Analyse d’un Responsable O&M relatif au suivi et à l’analyse d’une période de
fonctionnement d’un(e) éolienne/parc/zone
SOREM : Système d’optimisation d’un responsable de maintenance
SYPOM : système d’optimisation pour un responsable d’O&M.
Le modèle Agent au sein de la plateforme PROMEEO
L’environnement
Les interactions dans le système
Un agent dans le système
L’agent Recherche Panne
L’agent Panne
L’agent Diagnostic
L’agent O&M
L’agent Prestation
L’agent Météo
L’agent Fonction Coût
L’agent Pièces
Chapitre 3. Implémentation de l’outil PROMEEO (Plateforme de Rationalisation et Optimisation de la Maintenance et Exploitation des parcs Éoliens Onshores)
Situation actuelle : description de l’existant chez l’exploitant en termes d’optimisation d’O&M et solution proposée
Solution proposée pour répondre au besoin
Périmètres des utilisateurs et gestion des droits
Description des fonctionnalités principales de la plateforme
Base de données
Sources et import de données
Interactions avec PrediWind
Interactions avec XWind
Les données d’entrées de Kerwin vers XWind
Données d’entrées de la GMAO
Données base Prestation
Données d’entrées sur la production réelle : SATURNE
Conclusion et perspectives
Bilan de la thèse
Contributions et perspectives
Bibliographie
Glossaire
Annexes
Présentation de la Compagnie du vent (LCV)
La DEMSI (direction Etudes, Mesures et Systèmes Innovants)
Le pôle Mesures
Le pôle Etudes
Le pôle Innovation
La DEX (direction d’exploitation et maintenance)
La direction d’exploitation des parcs et leurs outils
Les principaux outils utilisés par la DEX
Gestion d’une panne à la DEX
Le tarif d’obligation d’achat dans le secteur éolien
Comment intervient la météo dans les différentes opérations ?
Fonctionnement de l’éolienne

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