David Annan Member Name
Ingénieur géotechnicien sénior
Les parcs éoliens sont l’une des technologies de production d’énergie renouvelable qui connaissent la croissance la plus forte à l’échelle mondiale. Leur coût de cycle de vie diminue rapidement, mais l’investissement initial nécessaire pour lancer un projet de parc éolien demeure énorme. Outre les éoliennes en tant que telles, l’aménagement de fondations solides est l’un des coûts les plus importants, de sorte que les promoteurs cherchent naturellement à en optimiser la conception et à réaliser toutes les économies possibles pour rendre le projet réalisable sur les plans technique et économique.
La rentabilité étant fonction de la productivité, les promoteurs choisissent de grandes éoliennes aux pales longues afin de maximiser la production d’énergie. Plus le mât est haut, plus la charge exercée sur les fondations est grande, et celles-ci doivent donc être plus solides pour éviter les mouvements excessifs de l’éolienne. La stabilité de ces grandes tours qui peuvent atteindre 250 mètres de hauteur dépend de la transmission au sol par leurs fondations des immenses forces qui secouent le mât, l’alternateur et les pales.
La base d’une éolienne n’est souvent pas visible, mais elle est essentielle pour la maintenir à la verticale et en place. S’il est rare que les fondations cèdent, cela peut être catastrophique. Même si l’éolienne n’est pas complètement renversée, une inclinaison, un balancement, un glissement ou un affaissement de l’éolienne, ou encore une fissuration des fondations auront des conséquences majeures pour le fonctionnement et l’entretien.
Il est donc essentiel de trouver la bonne conception, pour une structure de soutien qui soit non seulement optimisée sur le plan du coût, mais aussi capable de bien jouer son rôle important.
Étapes à suivre pour réussir
Quelles sont les mesures à prendre pour gérer les risques et avoir les meilleures chances de succès possible? Il s’agit de trouver la bonne combinaison d’emplacement et de conception des fondations. Il n’y a toutefois pas de solution simple, toute faite et universelle.
La conception des fondations dépend du type et de la taille de l’éolienne, ainsi que des conditions de sol, qui peuvent varier non seulement à l’échelle du parc éolien, mais aussi de l’assise d’une seule éolienne. Elle doit également tenir compte des coûts et des risques associés aux diverses solutions de conception et aux divers matériaux.
Faire le travail préparatoire pour bien orienter le projet dès que possible au cours du processus de conception des fondations (et bien avant la construction!) contribue à la faisabilité globale du projet, car une variation, même petite, touchant cette composante coûteuse pourrait être très importante pour un projet dont la marge de succès est très réduite.
1. Comprendre les conditions de sol du site
Comprendre les conditions de sol est la première étape essentielle pour parvenir à une conception de fondations efficace et adaptée au site.
Idéalement, aucun parc éolien ne serait construit sur un site où les conditions de sol sont mauvaises. Cependant, il y a tellement de facteurs en jeu dans le choix de l’emplacement (p. ex. ressource éolienne, propriété des terres, réglementation sur l’aménagement du territoire, considérations environnementales et sociales) qu’il n’est pas toujours possible de l’éviter.
Une étude de sol approfondie, comprenant des essais en laboratoire sur des échantillons de sol et de roches, ainsi que des essais sur le site (s’appuyant sur un examen préliminaire des préoccupations potentielles et de l’utilisation antérieure du terrain), permet de découvrir les risques géotechniques présents, tels que les sols meubles, les glissements de terrain, les sols susceptibles d’affaissement, l’activité sismique et le risque de liquéfaction, les problèmes liés aux eaux souterraines et la présence de toute roche acidifiante ou de sols sulfatés acides.
Les conditions de sol peuvent varier considérablement dans un grand parc éolien. Lorsqu’elles ne sont pas envisagées assez tôt et qu’elles ne sont découvertes qu’en cours de construction, cela entraîne des changements coûteux et retarde les travaux.
2.Concevoir les fondations en fonction du site et du budget du projet
Pour un emplacement donné, il peut y avoir plusieurs façons viables de concevoir les fondations d’une éolienne. Le coût est une considération importante. Quelle solution est à la fois adaptée aux conditions du site et peu coûteuse à construire? Investir un peu plus de temps et d’argent à l’étape de la conception peut permettre de réaliser des économies correspondant à plusieurs fois la somme investie, étant donné l’effet cumulatif obtenu lorsqu’il est possible de réutiliser la même conception de fondations pour de nombreuses éoliennes sur un site.
Les fondations doivent être conçues de façon à ce que la charge demeure proportionnelle à la capacité portante et à la résistance du sol. La conception géotechnique met en rapport l’analyse des conditions de sol et le calcul de la charge sur les fondations, puis établit les dimensions et le poids que doivent avoir les fondations pour réduire au minimum le risque qu’elles cèdent. La solidité, la compressibilité et la résistance du sol ou de la roche sous l’éolienne ont une incidence sur la taille et la profondeur des fondations nécessaires, et elles influent également sur la performance de celles-ci.
Sur les sites aux sols cohésifs et très durs ou aux sols granulaires denses, ou encore sur les sites présentant de la roche altérée, la première solution naturellement envisagée, ce sont les fondations superficielles de type « poids », puisqu’il s’agit habituellement des plus rapides à construire, et donc souvent des moins chères. La plupart des éoliennes terrestres reposent sur ce type de fondations, qui utilisent le poids d’un grand socle de béton armé placé dans le sol et recouvert de terre, un peu comme si on enfouissait la base d’un verre à vin.
Dans les sols meubles, les fondations superficielles présentent de plus grands risques de renversement, de glissement, de tassement et d’inclinaison. Les fondations profondes (comme les pieux et les puits) peuvent donc sembler être un meilleur choix pour y soutenir les éoliennes, puisqu’elles transfèrent la charge vers les couches plus profondes et plus résistantes du sol. Elles sont cependant beaucoup plus coûteuses et longues à construire. L’application de méthodes d’amélioration du sol ou le remplacement du sol de fondation peuvent être d’autres solutions pour permettre l’aménagement de fondations superficielles dans ces conditions.
Sur de la roche très résistante et raisonnablement uniforme en profondeur, il est courant d’aménager des fondations ancrées dans la roche, qui résistent au renversement et au soulèvement grâce à des ancrages sous tension s’enfonçant dans la roche sous une petite semelle. Il peut être nécessaire de mener une étude supplémentaire à l’appui de l’utilisation de semelles ancrées, car la charge sur les fondations peut être jusqu’à 10 fois supérieure à celle que doit porter une semelle de type « poids » équivalente.
Bien que la conception de semelles ancrées et sur pieux et les discussions sur le sujet puissent être intéressantes, en réalité, une semelle de type « poids » est la plupart du temps le bon choix du point de vue des coûts et du programme de construction, particulièrement en Australie.
3.Collaborer pour réussir
Comme dans toute chose, une bonne communication et une bonne collaboration assurent les meilleures chances de succès. Idéalement, les ingénieurs en structures et les ingénieurs géotechniciens peuvent travailler ensemble dans le cadre d’un processus itératif et souple, qui non seulement est adapté aux conditions connues, mais tient également compte des facteurs déterminants du projet, du point de vue de la conception ainsi que des répercussions sur les coûts et la constructibilité. (À titre d’exemple, il peut y avoir des contraintes propres au projet, comme les délais d’approvisionnement en acier et la disponibilité de roche de qualité pour le granulat de béton, qui peuvent avoir une incidence sur le programme et sur le coût).
Lorsque les ingénieurs géotechniciens et les ingénieurs en structures collaborent durant tout le processus de conception, le partage des risques est accru, ce qui réduit la nécessité de « surconcevoir » par prudence (à grands frais). Le processus de conception est également susceptible d’être plus efficace, et le risque de devoir refaire le travail, plus faible.
Une conception efficace et optimisée peut très rapidement devenir inutile en l’absence de bonnes pratiques de construction. La propreté de la surface excavée pour accueillir la semelle (enlèvement des débris) est critique relativement à la performance de l’éolienne à long terme. Pendant la construction, il est essentiel que le concepteur géotechnicien observe la base de la semelle, afin de vérifier que les conditions correspondent à celles prévues dans l’étude géotechnique et de formuler des conseils dans le cas contraire.
Grâce à une compréhension approfondie des conditions de sol, à une conception de fondations adaptée au site et à une démarche de collaboration entre les nombreux membres de l’équipe de projet, on peut donner à son nouveau parc éolien une assise solide pour en assurer la sécurité, la robustesse et la rentabilité à long terme.
