Implantées en pleine mer et d’une puissance d’une dizaine de mégawatts, les éoliennes offshore de dernière génération atteignent aujourd’hui des proportions considérables. Leur local machine gigantesque, qui abrite un générateur et un rotor, ainsi que leurs pales de plus de cent mètres de longueur, sont posés sur une tour en acier. Celle-ci s’appuie sur des tubes en acier d’une taille colossale, appelés également monopiles, qui affichent aujourd’hui jusqu’à dix mètres de diamètre et peuvent peser jusqu’à 1 500 tonnes. Afin que ces monopiles ancrées dans les fonds marins résistent pendant de nombreuses années aux tempêtes, à l’assaut des vagues et à l’eau salée corrosive et puissent en même temps être fabriquées de manière productive, des chercheurs en sciences des matériaux de l’Université de la Sarre à Sarrebruck et des ingénieurs de l’école technique supérieure d’Aix-la-Chapelle (RWTH Aachen) se sont associés à l’entreprise sidérurgique Dillinger et à d’autres sociétés pour développer de nouvelles qualités d’acier sur mesure. Le projet de recherche est subventionné par le ministère fédéral allemand de l’Économie à hauteur de 1,2 million d’euros.

Pour fabriquer les énormes tubes en acier utilisés pour la construction des parcs éoliens offshore, on utilise des tôles fortes comme celles produites par le sidérurgiste sarrois Dillinger. Les tôles d’une dizaine de centimètres d’épaisseur sont cintrées puis soudées pour former des segments de tube dont le diamètre peut aller jusqu’à dix mètres. Ces segments sont ensuite assemblés les uns aux autres par des cordons de soudure pour donner naissance à des tubes d’une longueur de plus de quatre-vingt mètres. « Le point crucial au sein de ce procédé de fabrication est la forte intensité de chaleur générée ponctuellement au niveau du cordon de soudure. Celle-ci agit sur l’acier et en modifie la structure interne. Plus les tôles fortes sont épaisses et plus elles sont soudées rapidement dans le cadre du processus de production, plus les différences de structure peuvent être importantes au niveau des cordons de soudure », explique Frank Mücklich, professeur spécialisé dans les matériaux fonctionnels à l’Université de la Sarre.Avec son équipe, le chercheur en sciences des matériaux a mis au point des techniques d’analyse spécifiques qui permettent d’évaluer quantitativement toutes ces modifications de structure interne des matériaux. Le scientifique mise pour cela sur des microscopes haute résolution à balayage d’électrons et d’ions, mais aussi sur des installations de nano-tomographie et de tomographie par sonde atomique. Les informations et les séries d’images à différentes échelles ainsi enregistrées sont ensuite fusionnées par ordinateur pour visualiser dans l’espace la structure de l’acier avec une précision extrême pouvant aller jusqu’à l’atome. « Ces techniques nous permettent d’identifier à tous les niveaux, du niveau microscopique à l’atome, en passant par les niveaux de nanostructure intermédiaires, où nous devons intervenir pour modifier un matériau afin que celui-ci présente les caractéristiques recherchées », explique Frank Mücklich, qui dirige également le centre de recherche Steinbeis en ingénierie des matériaux situé sur le campus universitaire de Sarrebruck.

En coopération avec les constructeurs de monopiles EEW Special Pipe Constructions et Sif Group ainsi qu’avec le fabricant de produits d’apport de soudage et de sources d’énergie électrique Lincoln Electric, les acteurs impliqués dans le projet cherchent à améliorer encore l’acier des tôles pour les processus de soudage appliqués lors de la construction de parcs éoliens offshore.

« Ces dernières années, Dillinger a réalisé des investissements porteurs d’avenir et a mis en route des innovations afin de faire évoluer les tôles requises par le marché exigeant qu’est la construction de monopiles », explique Sebastian Scholl, spécialiste en sciences des matériaux et ingénieur soudage chez Dillinger. Dillinger a de ce fait contribué à augmenter nettement le niveau de productivité, et à réduire les coûts de fabrication des centrales éoliennes offshore. Pour l’ingénieur, il est également important de continuer d’augmenter la productivité au niveau de l’usinage des tôles, c’est-à-dire d’accroître encore la vitesse de soudage maximale admissible pour les aciers de Dillinger. Dans ce contexte, les techniques modernes utilisées pour le soudage des tôles fortes, comme le soudage multifil sous flux en poudre ou le soudage par faisceau d’électrons, jouent un rôle majeur. « La prochaine étape consistera à réduire les temps de fabrication. On peut y parvenir en utilisant des techniques de soudage hautes performances. Voilà pourquoi, avec nos partenaires associés dans ce projet de recherche, nous voulons développer un acier capable de satisfaire à ces exigences très pointues », poursuit Sebastian Scholl. Le professeur Uwe Reisgen, directeur de l’institut des techniques de soudage et d’assemblage de l’école technique supérieure RWTH, confirme le bien-fondé de cette approche : « Il est totalement impossible d’imaginer des constructions en acier aussi gigantesques sans assemblages soudés. Compte tenu des énormes volumes à réaliser, les constructeurs doivent pouvoir compter sur des méthodes de soudage extrêmement efficaces, mais aussi sur des matériaux fabriqués sur mesure. Ces derniers doivent pouvoir être usinés selon des techniques de soudage hautes performances sans pertes au niveau de leurs caractéristiques mécaniques et technologiques. Je suis très heureux qu’une entreprise sidérurgique aussi compétente que Dillinger nous accompagne dans cette voie. »

Le projet commun est subventionné par le ministère fédéral allemand de l’Économie à hauteur de 1,2 million d’euros dans le cadre du programme de recherche énergétique « Des innovations au service de la transition énergétique ». Le budget global du projet de recherche se chiffre à plus de 1,9 million d’euros. « À travers ce projet, nous entendons non seulement contribuer à augmenter la part des énergies renouvelables, mais également à pérenniser des sites de production en Allemagne et en Europe », explique Frank Mücklich, chercheur en sciences des matériaux.

Pour en savoir plus :
http://www.uni-saarland.de/… (chaire Matériaux fonctionnels) http://www.mec-s.de (centre de recherche Steinbeis en ingénierie des matériaux) https://www.isf.rwth-aachen.de (RWTH Aix-la-Chapelle)
http://www.dillinger.de (Dillinger)
https://eew-group.com (EEW Special Pipe Constructions)
https://www.sif-group.com (Sif Group)
https://www.lincolnelectric.com (Lincoln Electric)