Des capteurs virtuels pour anticier d'éventuelles pannes

Faire des prédictions grâce au jumeau numérique

La centrale hydroélectrique de demain sera une "centrale de verre". Dans le sens où l'on disposera, si possible à la seconde près et en continu, de connaissances détaillées et complètes sur l'état actuel et prévisible de l'installation. VERBUND Hydro Power GmbH (VHP), l'une des plus grandes entreprises hydroélectriques européennes, souhaite atteindre cet objectif à l'avenir grâce à des jumeaux numériques et des capteurs virtuels.

"Avec notre programme d'innovation intitulé 'Hydropower 4.0 - Centrale hydroélectrique numérique', nous nous fixons de nouveaux objectifs ambitieux. Nous étudions toutes les possibilités imaginables d'utiliser des méthodes numériques auxiliaires existantes ou à développer dans le domaine de l'hydroélectricité. Nous empruntons en partie des voies totalement nouvelles afin d'augmenter encore le potentiel d'efficacité et de sécurité", explique Karl Heinz Gruber, directeur général, en décrivant les objectifs stratégiques de VHP. Il s'agit notamment d'un dépannage interactif et d'un diagnostic prédictif numérisé des installations et des composants.

Plus de transparence dans la "centrale hydroélectrique numérique

Grâce à de nouvelles méthodes d'analyse et à l'utilisation de systèmes informatiques auto-apprenants, de nouvelles connaissances sur l'état actuel de l'installation sont obtenues à partir du flot de données rendu disponible. Les simulations informatiques permettent de réduire les temps d'arrêt et de réparation en détectant à temps les éventuelles pannes dues à des dommages inattendus, grâce à la saisie et aux prévisions d'état, couplées à l'"histoire" d'une installation.

VHP exploite, seul ou avec des partenaires, plus de 120 centrales hydroélectriques en Autriche et en Allemagne. En collaboration avec des experts internes et externes, des scientifiques, des conseillers et des constructeurs d'installations, VHP s'est focalisé sur les deux points forts de cette nouvelle initiative : "Digital Workflow Management" - c'est-à-dire des solutions mobiles pour la planification et l'exécution numériques des processus de travail des collègues sur place - et "Centrale hydroélectrique numérique", avec un mandat de projet très large et un caractère extrêmement innovant.

Bernd Hollauf, chef de projet Centrale hydroélectrique numérique : "Nos centrales hydroélectriques sont déjà automatisées à 100 % et contrôlées par des bases centrales. En règle générale, les centrales sont donc sans personnel et quelqu'un n'est sur place que pour les contrôles, lorsque des pannes surviennent ou que des révisions sont nécessaires. Par conséquent, il y a des capteurs sur les machines, les constructions et l'environnement et un archivage centralisé des données de processus".

Mais aujourd'hui, les systèmes qui sont encore pour la plupart des solutions isolées et doivent maintenant être mis en réseau le plus largement possible. Pour y parvenir, le Dr Hollauf et ses collègues recherchent dans de nombreux secteurs des solutions pour relier entre elles les technologies de numérisation les plus diverses. "Notre objectif est d'apporter un soutien aussi complet que possible aux collaborateurs sur place, grâce à des outils numériques", souligne le Dr Hollauf. Pour cela, il nous faut d'une part explorer la valeur ajoutée que nous pouvons générer à partir des données existantes et d'autre part, outre le jumeau numérique, miser aussi sur de nouveaux outils pour mesurer et inspecter le fond des cours d'eau. Cela peut par exemple être effectué avec des véhicules autonomes depuis la surface de l'eau ou avec des véhicules sous-marins pilotables comme des robots plongeurs".

Outils de mesure et d'inspection — Outre le jumeau numérique, de nouveaux outils de mesure et d'inspection du lit des cours d'eau, entre autres, ouvriront la voie à la centrale hydroélectrique numérique. | ® VERBUND Hydro Power GmbH

Application pilote à la centrale de Rabenstein

La centrale représentative de Rabenstein en Styrie, une centrale au fil de l'eau de taille moyenne sur la Mur, a été choisie pour l'application pilote. Pour cette centrale vieille d'une trentaine d'années, les plans sont encore disponibles sous forme papier, de sorte que l'expérience acquise ici peut être transposée à la plupart des autres centrales, qui sont généralement plus anciennes.

"L'utilisation de la simulation fait partie de notre compréhension d'un jumeau numérique. C'est pourquoi nous avons choisi CADFEM Group qui nous assiste dans le développement de produits, en tant que partenaire de longue date de simulation et fournisseur d'Ansys", explique Michael Artmann - Ingénieur diplômé et chef de projet pour le sous-projet "Jumeau numérique" chez Hydro Power GmbH. La direction de ce projet a été confiée à la société suisse ITficient AG, une start-up appartenant au groupe CADFEM et spécialisée dans les analyses de données volumineuses ainsi que dans la préparation et l'intégration de données de capteurs et d'autres sources de données.

Les jumeaux numériques basés sur la simulation sont les plus utiles lorsque les composants sont soumis à des contraintes variables et inconnues au préalable. Cela permet par exemple de prédire l'usure ou la dégradation, comme la formation de fissures dans les composants suite à des tensions trop élevées, de sorte qu'il est possible de remplacer le composant à temps, avant qu'il ne soit endommagé. Pour un projet pilote, on a choisi un composant qui se trouve dans le mécanisme de réglage de la roue de turbine.

Dipl.-Ing. Dr. Bernd Hollauf
Project director for the digital hydropower plant, VERBUND Hydro Power GmbH
Outre une disponibilité aussi élevée que possible des centrales hydroélectriques, nous visons également une prévision plus fondée de la durée de vie restante. De même, nous en attendons des avantages au niveau des prestations de maintenance liées à l'état ainsi qu'en évitant des réparations coûteuses.

Modèles de simulation pour les calculs de résistance mécanique

Un modèle CAO 3D de ce levier de réglage a d'abord été créé à partir des plans de construction existants pour servir de base à la simulation. Les calculs de résistance qui ont suivi ont montré les points critiques avec les tensions maximales sur la pièce. Afin de pouvoir effectuer un calcul rapide et précis à la fois, un modèle de comportement simplifié a été généré à partir de ces données. Ainsi, sur la base de données de capteurs physiques, il est possible de déterminer à tout moment les tensions qui apparaissent aux points chauds avec une grande précision, de sorte qu'un calcul de durée de vie fondé peut être effectué.

Michael Artmann explique à propos de l'intégration des calculs nécessaires selon la directive FKM (justificatif de résistance pour les composants de machines) : "Les charges correspondantes pour le jumeau numérique fonctionnant en parallèle résultent des mouvements de réglage respectifs sur l'installation réelle. L'évaluation de la durée de vie, qui était auparavant effectuée chez nous à l'aide d'un fichier Excel avec des collectifs de charge dérivés du mode de fonctionnement, peut être développée grâce à l'introduction du jumeau numérique en une évaluation à l'aide du collectif de charge qui se produit réellement". Ce projet pilote a servi de preuve de faisabilité (proof of concept) pour le concept de jumeau numérique proposé par ITficient et CADFEM, et a été mené à bien.

Le tableau de bord fournit une vue d'ensemble en temps réel

Le jumeau numérique et l'analyse de données correspondante ont été conçus comme une solution neutre en termes de plateforme et facile à intégrer dans l'infrastructure VHP. Toutes les données nécessaires au calcul - et bien d'autres encore - y sont gérées, analysées et visualisées par ITficient. Un tableau de bord fournit en temps réel une vue d'ensemble de la turbine 1 de Rabenstein, en présentant les données des capteurs et des capteurs virtuels ainsi que la durée de vie restante. Cela permet d'évaluer la disponibilité des parties importantes de l'installation et d'initier à temps les mesures éventuellement nécessaires. Pour l'analyse, il est possible de considérer des périodes et des métriques définies individuellement afin de représenter les données sélectionnées sous forme de graphique ou de tableau. Il est ainsi possible de sélectionner de manière autonome des corrélations spéciales entre différentes données.

La prochaine étape consistera à intégrer d'autres composants en tant que jumeaux numériques, ce qui implique des calculs de mécanique des structures, des analyses de flux et des simulations électromagnétiques. L'important gain d'informations réside dans les connaissances qui résultent d'une modification des conditions d'utilisation. Ainsi, les simulations permettent d'étudier les scénarios d'utilisation les plus divers afin de pouvoir choisir le meilleur mode de fonctionnement possible sur la base de l'état réel de l'installation (optimized operation). Dans la phase de prototypage qui va suivre, les projets pilotes correspondants seront préparés et mis en œuvre par ITficient et CADFEM.

Les données des capteurs virtuels peuvent également être affichées dans le tableau de bord, par exemple la durée de vie restante calculée. | ® VERBUND Hydro Power GmbH

Durée de vie restante du tableau de bord — Le tableau de bord fournit une vue d'ensemble de la turbine Rabenstein 1 en temps réel, ici les données des capteurs réels. | ® VERBUND Hydro Power GmbH

Dipl.-Ing. Michael Artmann
Project Manager "Digital Twin", VERBUND Hydro Power GmbH
Ces questions de type 'et si' peuvent nous donner plus d'informations sur ce qu'est une exploitation en douceur de l'installation ou sur ce que cela signifie pour la durée de vie si l'installation est exploitée avec une charge très élevée.

Étude de différents scénarios

"Alors que nous nous penchions sur les avantages potentiels du jumeau numérique, nous avons réalisé que nous devions d'abord nous concentrer sur quelques composants et étudier les scénarios les plus divers pour ceux-ci", explique Michael Artmann. "Ces questions de type 'et si' peuvent nous fournir davantage d'informations sur ce que serait une exploitation en douceur de l'installation ou sur ce que cela signifie pour la durée de vie si l'installation est exploitée avec une charge très élevée".

Les objectifs stratégiques sont la mise à disposition de la quantité d'énergie nécessaire au bon moment en fonction des besoins et la possibilité de combiner de manière économique la production volatile d'énergie photovoltaïque et éolienne avec une énergie hydraulique commandée par le réseau. Outre l'évaluation économique des modes de fonctionnement de l'installation, le gain d'informations sur l'état de l'installation et la réalisation d'une maintenance axée sur l'état afin d'éviter les arrêts intempestifs avec une disponibilité maximale sont des motivations importantes pour le jumeau numérique. Un aspect partiel intéressant à cet égard est la question de savoir si et dans quelle mesure la longueur des cycles de révision déterminée empiriquement peut encore être étendue.

Le Dr Hollauf juge très positif le fait qu'en faisant appel à ITficient et CADFEM, il ait été possible de recourir à un partenariat existant. Il apprécie également le développement agile avec des étapes de développement courtes et le traitement direct du feedback de l'association : "Nous pouvons toujours vérifier rapidement à l'aide des étapes si nous sommes toujours sur la bonne voie ou si nous devons réajuster ou prendre une autre voie. C'était particulièrement utile au début, car nous devions d'abord développer une vision et des objectifs communs, ce que nous avons fait pas à pas".

Créer individuellement des recommandations d'utilisation pour les centrales électriques

Dans l'ensemble, tous les participants au projet chez VHP sont très satisfaits de ce qui a été réalisé ensemble jusqu'à présent. En l'espace de dix semaines, le POC a été élaborée et mise en œuvre, du dessin 2D au jumeau numérique opérationnel. "Sur cette base, nous sommes très confiants de pouvoir continuer à étendre la phase pilote en 2019, voire de l'évaluer définitivement, afin de la déployer plus largement si l'évaluation est positive", rapporte le Dr Hollauf.

"Nous visons ainsi, outre une disponibilité aussi élevée que possible des centrales hydroélectriques, une prévision plus fondée de la durée de vie restante. Nous en attendons également des avantages pour les prestations de maintenance liées à l'état et pour éviter des réparations coûteuses. De plus, des recommandations d'utilisation doivent être élaborées individuellement pour les différentes centrales afin d'améliorer la rentabilité à l'aide d'une exploitation commandée par le réseau. Grâce à l'analyse des dommages et à la reconnaissance de modèles par l'intelligence artificielle, nous avons l'intention de continuer à développer les différentes centrales électriques en fonction des installations".