1. Introduction
Dans le contexte d'une focalisation mondiale sur le développement d'une économie à faible-carbone et de l'objectif de "double-carbone" proposé par la Chine, l'énergie éolienne, en tant que source d'énergie renouvelable propre et durable, est devenue un point central pour les gouvernements et les géants de l'énergie du monde entier. Avec la construction continue de parcs éoliens terrestres, une technologie de plus en plus mature et des coûts en baisse, l’énergie éolienne terrestre s’est développée rapidement, la capacité mondiale d’énergie éolienne terrestre nouvellement installée atteignant 61,8 GW rien qu’en 2019. Cependant, limitée par les ressources terrestres exploitables et par les ressources éoliennes, l’énergie éolienne offshore est progressivement devenue une tendance de développement. En particulier, les zones côtières du sud-est de la Chine sont économiquement développées, disposent d'un réseau électrique-bien établi et d'abondantes ressources en énergie éolienne offshore, ce qui les rend parfaitement adaptées au développement à grande échelle-et à la connexion au réseau de l'énergie éolienne offshore.
2. État actuel de l’industrie de l’énergie éolienne offshore
En 2020, la capacité mondiale d’énergie éolienne offshore nouvellement connectée a dépassé 6 GW, soit à peu près le même niveau qu’en 2019. Dix ans plus tôt, en 2010, la capacité mondiale d’énergie éolienne offshore nouvellement installée était inférieure à 1 GW. Dans le même temps, la part de l'énergie éolienne offshore dans la capacité éolienne mondiale nouvellement installée a également augmenté, passant de 2,5 % en 2010 à 7 % actuellement.
2.1 État actuel et tendances du secteur de l’énergie éolienne offshore à l’étranger
En termes de classement des pays par capacité nouvellement installée, les cinq principaux marchés mondiaux de l’énergie éolienne offshore en 2020 étaient la Chine, les Pays-Bas, la Belgique, le Royaume-Uni et l’Allemagne. Les experts du secteur prédisent que le marché mondial de l’énergie éolienne offshore connaîtra un taux de croissance annuel moyen de plus de 30 % entre 2020 et 2025. Cette évaluation repose sur les raisons suivantes :
01
La baisse rapide des coûts de l’énergie éolienne offshore est due à la taille croissante des éoliennes offshore (voir Figure 2-1), qui permet d’économiser considérablement sur l’investissement initial et sur les coûts ultérieurs d’exploitation et de maintenance.
Figure 2-1 Tendances mondiales du développement des éoliennes offshore
Source des données : Plateforme de données de marché GWEC, août 2020
02
Alors que les gouvernements du monde entier relèvent leurs objectifs en matière de développement de l’énergie éolienne offshore, les marchés asiatiques de la Chine, du Vietnam, du Japon et de la Corée du Sud devraient connaître une croissance rapide. Sur le marché européen, outre le fait que les pays d'Europe occidentale continuent de développer vigoureusement l'énergie éolienne offshore, les pays d'Europe de l'Est commenceront également à construire des installations éoliennes offshore. De plus, le premier parc éolien offshore à grande échelle aux États-Unis sera connecté au réseau en 2023.
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L'industrialisation de l'énergie éolienne flottante (voir Figure 2-2) aura un éventail d'applications plus large car la structure de fondation flottante est adaptée aux zones de haute mer avec une profondeur d'eau de 50 à 200 mètres. Selon le World Energy Report, la capacité mondiale installée d’énergie éolienne flottante atteindra 8 à 10 GW d’ici 2030.
Figure 2-2 Diagramme schématique d'un parc éolien offshore flottant
2.2 État actuel de l'industrie chinoise de l'énergie éolienne offshore
L'industrie chinoise de l'énergie éolienne offshore a démarré relativement tard, mais son développement a été extrêmement rapide ces dernières années. Depuis 2018, la capacité éolienne offshore nouvellement installée en Chine a constamment dominé celle des autres pays. En particulier, en 2020, la capacité du réseau chinois nouvellement connecté a dépassé pour la première fois les 3 GW. Sur la base de la capacité installée cumulée, la Chine a dépassé l'Allemagne pour devenir le deuxième-marché mondial de l'énergie éolienne offshore à la fin de 2020. Selon des estimations basées sur les taux de croissance de l'énergie éolienne offshore dans divers pays, la Chine a remplacé le Royaume-Uni en tant que plus grand marché mondial de l'énergie éolienne offshore en 2021.
2.2.1 L’ampleur de la capacité installée et de la connexion au réseau continue de croître.
Le projet d'énergie éolienne offshore du pont Donghai de Shanghai, le premier projet d'énergie éolienne offshore à grande échelle de Chine, qui a débuté en 2006 et a commencé sa construction en 2008, a installé avec succès 34 unités d'éoliennes offshore de 3 MW produites dans le pays, avec une capacité installée totale de 102 MW, ouvrant ainsi le prélude au développement de l'énergie éolienne offshore en Chine.
En 2016, l'Administration nationale de l'énergie a publié le 13e plan quinquennal pour le développement de l'énergie éolienne et a introduit une série de politiques favorables majeures pour encourager le développement de l'énergie éolienne offshore, ce qui signifie également que le développement de l'énergie éolienne offshore en Chine est passé du stade de « démonstration de projet » à celui de « développement rapide ».
En 2020, les projets d’énergie éolienne offshore sont entrés dans une période critique d’installation précipitée. Selon les statistiques, 30 projets étaient en construction simultanément au premier semestre, avec une capacité installée de 12 972 800 kilowatts, dont 11 projets nouvellement démarrés et 3 projets entièrement connectés au réseau.
2.2.2 La capacité unitaire des éoliennes augmente d'année en année.
Selon les données de fin 2019, en termes de capacité unitaire, les unités de 4 MW ont la plus grande capacité installée cumulée, tandis que 5 MW sont devenus le modèle principal pour les projets d'énergie éolienne offshore (voir Figure 2-3).
Le 12 juillet 2020, la première éolienne chinoise de 10 MW a été connectée avec succès au réseau et a produit de l'électricité dans le parc éolien offshore de Xinghua Bay, dans la province du Fujian, établissant ainsi un nouveau record pour la capacité d'une seule éolienne offshore en Chine. Du point de vue des plans de développement des fabricants d'éoliennes, 8 MW sont devenus un nouveau point de départ, et les éoliennes offshore -à grande échelle de 10 MW et plus ont été répertoriées comme modèles de développement clés.
Figure 2-3 Pourcentage de la capacité des éoliennes offshore en Chine à la fin de 2019
2.2.3 La construction d'énergie éolienne offshore se déplace progressivement des eaux peu profondes proches du littoral vers les zones d'eau profonde-et d'eau profonde-.
Fin 2019, la capacité éolienne offshore totale approuvée en Chine atteignait 35 millions de kilowatts. Parmi eux, le Jiangsu et le Guangdong avaient approuvé des capacités supérieures à 10 millions de kilowatts, tandis que le Fujian et le Zhejiang avaient approuvé des capacités supérieures à 3 millions de kilowatts. Les ressources côtières disponibles-pour un développement futur sont limitées, tandis que la Chine dispose d'une vaste zone d'eaux marines profondes-exploitables, qui devraient devenir le centre du développement de l'énergie éolienne offshore à l'avenir.
3. Exigences matérielles pour les commutateurs Ethernet industriels dans les parcs éoliens offshore
Les éoliennes offshore et les sous-stations offshore sont construites à des dizaines de kilomètres des terres, dans des environnements extrêmement difficiles. Cela impose des exigences très élevées aux équipements, en particulier aux équipements de communication de base, principalement en matière de fiabilité, de résistance au brouillard salin, aux températures élevées et basses et aux interférences électromagnétiques. En outre, la maintenance des équipements offshore est limitée par les conditions météorologiques, les réglementations maritimes et le déploiement des navires, ce qui rend la maintenance d'urgence et de routine exceptionnellement difficile, avec un calendrier très imprévisible. Cela impose des exigences extrêmement élevées en matière de fonctionnement stable et fiable des commutateurs Ethernet.
3.1 Exigences de fiabilité
Plusieurs indicateurs clés de la fiabilité des équipements :
1) Temps moyen jusqu'à défaillance (MTTF)
2) Temps moyen entre les pannes (MTBF)
3) Temps moyen de réparation (MTTR)
3.1.1 Indicateur MTBF
L'un des indicateurs de performance les plus importants pour les commutateurs Ethernet industriels est le temps moyen entre pannes (MTBF). Les normes les plus largement acceptées et faisant autorité sont MIL-HDBK-217, GJB/Z299B et Bellcore. La plupart des marques étrangères de commutateurs industriels utilisent la norme américaine MIL-HDBK 217F comme norme de référence et utilisent les tests HALT (High-Accelerated Life Test) et HASS (High-Accelerated Stress Screening) pendant les tests de R&D et de production pour vérifier si le MTBF du produit répond aux exigences de conception. Le MTBF de la plupart des commutateurs Ethernet industriels est supérieur à 20 ans, et certains dépassent même 50 ans.
HALT (Highly Accelerated Life Testing) est principalement utilisé dans la phase de conception de recherche et développement de produits. Il est efficace pour exposer les défauts potentiels des produits et constitue une méthode de test importante pour les ingénieurs de conception afin d'améliorer la fiabilité des produits.
HASS (Highly Accelerated Stress Screening) est un processus de criblage de stress très accéléré-effectué sur la chaîne de production après que les produits ont réussi le test HALT pour déterminer leurs limites opérationnelles ou destructives.. 100 % des produits doivent participer au criblage. Son objectif est de garantir que les produits fabriqués sont exempts de tout vice caché, ou à minima d'identifier et de résoudre ces défauts avant que les produits ne quittent l'usine. HASS utilise le stress accéléré pour trouver les produits défectueux en peu de temps, raccourcir le cycle d'action corrective et identifier les produits présentant les mêmes problèmes.
3.1.2 Indicateur MTTR
Les exigences typiques pour les sites de parcs éoliens offshore sont : Le temps moyen de réparation (MTTR) fourni par le fabricant, qui est généralement de 0,5 à 1 heure lorsque le temps d'assistance à la gestion et le délai de livraison ne sont pas pris en compte ; et le temps nécessaire au diagnostic (ou à l'inspection) et à la mise à jour des fiches défectueuses doit être inférieur à 30 minutes.
Si un commutateur industriel subit une panne matérielle, et si le délai d'assistance à la gestion et le délai de livraison ne sont pas pris en compte et qu'un simple remplacement est nécessaire, dans la plupart des cas, le commutateur industriel peut être remplacé dans un délai d'une heure, répondant ainsi aux exigences MTTR du client.
3.2 Exigences de résistance à la corrosion
Une caractéristique clé de l’environnement d’exploitation maritime est le niveau élevé de brouillard salin. Les produits de commutation Ethernet industriel doivent fournir un revêtement protecteur de carte de circuit imprimé pour atteindre le niveau de protection G3 et être entièrement conformes aux exigences des normes ISA-S71.04-1985 (classification G3 - Groupe de hachage A) et EN60068-2-60 Méthode 4 afin de fonctionner de manière stable et fiable pendant une longue période dans un environnement marin difficile.
Les premiers parcs éoliens offshore ont connu un grand nombre de pannes de commutation. Lors de l'ouverture des boîtiers des interrupteurs, des marques de brûlure visibles ont été trouvées sur les circuits imprimés. L’une des raisons à cela était que ces interrupteurs ne disposaient pas d’un revêtement protecteur.
3.3 Exigences de températures élevées et basses
Étant donné que les différents parcs éoliens offshore sont situés à des latitudes différentes, leurs conditions climatiques varient considérablement. Par exemple, en hiver, la température la plus basse au parc éolien offshore de Zhuanghe à Dalian peut atteindre -15 degrés Celsius, tandis qu'en été, la température la plus élevée au parc éolien offshore de Xuwen à Zhanjiang peut atteindre 38 degrés Celsius. La température à l’intérieur des tours d’éoliennes peut être encore plus élevée que la température extérieure. Par conséquent, des exigences très élevées sont imposées à la température de fonctionnement normale des interrupteurs industriels.
Bien que la plupart des fabricants de commutateurs industriels sur le marché indiquent les températures de fonctionnement de leurs commutateurs entre -40 degrés et +70 degrés, ou même entre -40 degrés et +85 degrés, ces chiffres sont dérivés de-tests en laboratoire à court terme. Par exemple, les exigences de test d'un institut de test national réputé spécifient que dans des environnements à haute température -, le commutateur, lorsqu'il est sous tension, doit être placé au centre d'une chambre de test environnemental, et la température doit être augmentée à 70 degrés et maintenue pendant 2 heures. L'appareil doit fonctionner normalement à +70 degrés et le taux de stockage et de transfert doit atteindre 100 %. Si cette exigence est remplie, le changement est considéré comme qualifié (qualifié/acceptable).
Les exigences techniques pour le même environnement à basse température-sont les suivantes : l'interrupteur, lorsqu'il est sous tension, est placé au centre d'une chambre de test environnemental, et la température est abaissée à -40 degrés, puis maintenue à cette température pendant 2 heures. L'appareil doit fonctionner normalement à -40 degrés, avec un taux de stockage et de transfert de 100 % ; il devrait également pouvoir démarrer normalement à -40 degrés. Si ces exigences sont remplies, il est considéré comme qualifié (qualifié/acceptable). Par conséquent, le test vérifie uniquement s’il peut fonctionner de manière stable pendant 2 heures sous cette température extrême.
Bien que les interrupteurs industriels des parcs éoliens offshore n'aient pas besoin de résister à des températures aussi extrêmes, ils doivent fonctionner en continu pendant de longues périodes dans des environnements à températures difficiles, et peuvent même être soumis à des effets indésirables supplémentaires provenant d'autres environnements externes. Seuls les interrupteurs industriels qui ont résisté à l’épreuve du temps peuvent être considérés comme répondant aux exigences de températures élevées et basses des parcs éoliens offshore.
(À suivre)