EDF • Etudes ei Recherches FR9705062

Fai: arquants1996

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OMMAIREFAITS MARQUANTS 1996

Structure de la Direction des Etudes et Recherches d'EDF

Editorial de Gérard MENJON, Directeur des Etudes et Recherches d'EDF

Organisation et gestion des activités

Nouvelles applications de l'électricité

Moyens de production

Protection de l'environnement

Développement, exploitation des matériels et réseaux électriques

mIndex

F a i t s m a r q u a n t s 1 9 9 6

17 0 © D) 1.1 VA (Cî\ LJ\

ï , Av. du Général-de-Gaulle92141 CLAMART CedexTél. : 01 47 65 43 21

S, quai Watier78401 CHATOU CedexTél. : 01 30 87 72 44

Les Renardièi-esRoute de Sens, Ecuelles77258 MORET-SUB-LOINGTél. : 01 60 73 60 73

ADEB

Applications de

dans les Bâtiments

ADEl

Applications del'Electricité

dans l'Industrie

ADM

Administration

AMV

Acoustiqueet Mécanique

Vibratoire

C Calcul

! Centre

cccContrôle, Commande

IxfConsommations.

Clientèle,Télécommunications

CER

Conceptionet Economie

CH

Site de Chatou

CIMA

Câbles, CondensateursMatériel d'Automatisme.

Matériaux

CL

Site de Clamart

EMA

Etude des Matériaux

Environnement

FSF

Eiudes de Sûretéet de Fiabilité

FCR

et Conduite des Réseaux

GRETS

Groupe de RechercheEnergie, Technologie

et Société

GTI

Gestionet Traitement

de l'Information

ICI

Ingénierie dela Communicationen Informatique

LGE

Laboratoiresde Génîe Electrique

LNH

Laboratoire Nationald'Hydraulique

Machines

Machines

ME

Machines Electriques

MMN

Mécaniqueet ModèlesNumériques

MOS~

Méthodesd'Optimisation

et de Simulation

MTC

Mécanique etTechnologie des

Composants

Norm

Centrede Normalisation

PAC

Promotionet AppuiClientèle

PO.

Postes et Lignes

PhB

Physiquedes Réacteurs

PRO VAL

Prospective,Evaluation etValorisation

RDS

Site desRenardières

REME

Retour d'Expérience,Mesures, Essais

SDM

Surveillance,Diagnostic,

Maintenance

SE

SystèmesEnergétiques

SID

Systèmesd'Information et

de Documentation

TIEM

Traitement del'Information et

Etudes Mathématiques

TTA

TransfertsThermiques et

Aérodynamique

RéacteursNucléaires etEchangeurs

EMA

MTC

TTA

ESF

P.hR

IMAInformatique etMathématiquesAppliquées

C Calcul ICI

MM:}! PAO

TiEM

AEEApplications tiel'Electricité etEnvironnement

ADEB A DEI

ENV LNH

IPNinformation.

Prospective etNo rma liss tien

Norm GRETS

P PO VAL S lu

ERMELMatérielElectrique

C1MA LGE

ME PEL

AdministrationGénérale etTravaux

Ensembles deProduction

AMY CCC

Machines

SDM REME

Etudes deRéseaux

CCT CER

, FCR MOS

l i e fait marquant de l'année 96 pour lesecteur électrique européen aura été l'adoption, le 20 juin 1996,par le Conseil des ministres de l'Energie, d'une position communesur le marché intérieur de l'électricité, approuvée le 11 décembre1996 par le Parlement européen.

Les règles du jeu du secteur électrique vont évoluer en profon-deur : identification dans chaque pays (ou dans chaque zone) d'ungestionnaire du réseau de transport, ouverture de la concurrence àla production, possibilité pour les gros consommateurs d'électrici-té de choisir leur fournisseur et de faire transiter l'énergie achetéeà d'autres sur le réseau de transport.

La DER réfléchissait depuis des années aux conséquences desévolutions qui se préparaient sur la gestion du système électrique :le fait marquant sur la « valorisation des Services système » quiouvre le chapitre consacré aux réseaux est une illustration de cestravaux : comment estimer (et demain facturer aux nouveauxacteurs) les services que leur rend le réseau électrique ?

Si la concurrence s'ouvre dans le domaine de la production, ellene date pas d'hier du côté des utilisations de l'électricité. Dans lelogement, la DER a contribué à la préparation et à la validationtechnique d'une nouvelle offre de confort : VIVRELEC qui veutconcilier qualité, réduction de la facture et simplicité d'usage pourle chauffage électrique et la climatisation.

Elle prépare également les services de demain dans une expéri-mentation comme WATT-INFO destinée à mieux informer nosclients sur la contribution de leurs différents appareils électriquesà la facture qu'ils reçoivent.

La concurrence accrue sur les moyens de production conduitégalement EDF à chercher à tirer un parti toujours meilleur de sonoutil de production et, en particulier, des centrales nucléaires.

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Les trois premiers faits marquants du chapitre <• Moyens de pro-duction » montrent les progrès possibles sur des installationsindustrielles déjà en exploitation : ils portent sur le contrôle-com-mande des centrales, la planification des arrêts de tranches et lagestion du combustible.

Les autres faits marquants illustrent pour la plupart une autredimension de la bonne utilisation des centrales : comprendre enprofondeur l'origine des difficultés rencontrées en exploitationcomme les vibrations de tuyauterie ou la corrosion des soudurespour apporter les meilleures solutions à ces problèmes et garantirla disponibilité et la durée de vie de l'investissement.

Dans un environnement qui change, la R & D apporte sa contri-bution (toujours) et son initiative (le plus souvent) pour préparerles services et les solutions attendus par l'Entreprise et ses clients.

Nous espérons que le récit de quelques-uns de nos succèsrépondra à votre attente.

Gérard MENJON,Directeur des Etudes et Recherches.

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I N T R O D U C T I O N

ORGANISATION ET GESTION

DES ACTIVITES

L'activité de la Direction des Etudes et Recherches comprendd'une part un domaine principal composé d'actions de rechercheet développement et de prestations d'études, et d'autre part, desoffres de services pour le calcul et la documentation, destinées auxautres Directions d'EDF; le domaine principal représente plus de90 % du budget.

L'activité de recherche et développement s'effectue au traversdes Actions de Recherche et Développement (ARD) destinées àdévelopper soit des connaissances ou des outils d'études, soit descompétences nouvelles qui seront nécessaires pour répondre auxdemandes futures. Les thèmes de recherche sont retenus en fonc-tion de leur adéquation à la stratégie de l'Entreprise.

Les prestations d'études sont traitées dans les Actions Initiées àla Demande (AID) pour répondre à des besoins spécifiques desDirections clientes. Des prestations externes sont également four-nies à des clients extérieurs à l'Entreprise : Administration,Entreprises publiques ou privées, en France ou à l'Etranger.

Les actions liées par une logique forte et une unité d'objectifs,que ce soient des ARD, des AID ou un ensemble d'AID ou d'ARD,sont structurées en projets : environ 30 % de l'activité de la DERest traitée sous forme de projets.

La DER pilote également l'accord de coopération tripartite exis-tant entre le CEA, EDF et FRAMATOME.

Les offres de services vers les autres Directions concernent lamise à disposition du Centre de calcul scientifique de Clamart etde services associés ainsi que les produits documentaires.

BUDGET DE L'ANNEE 1996

Le compte de résultat de l'année 1996, conforme aux orientationsdu Plan stratégique 1996-1998, s'élève à 3 075 millions de francs,

COMPTE DE(EN

is externes3rvices

RESULTATSMF 1996)

1996

1995

1 5031 343

284

1996

1 4461 384

245

ARD

(calcul et documentation)

TOTAL 3 130 3 075

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48%

47%

45%

43%

1995

1996

*e&<* Actions de recherche et développement ..;•:••:•' Prestations de servicesResearch and development projects Services provided

<a8P" Actions initiées à la demande et prestations externesActions initiated upon request and external services

Répartition du budget de la DER.

35% 34%

34%

' ÉquipementEngineering

EDF Production TransportElectricity Generation and Transmission

^88^ EDF GDF SERVICESEDF GDF SERVICES

Développement et Stratégie CommercialeMarketing and Business Development

AutresOthers

Ventilation du volume d'AID entre les Directions d'EDF.

l - ' a i i s m a r q u a n t s 1 9 9 6

hors accord tripartite, soit 1,6 % du chiffre d'affaires del'Entreprise. La contribution financière d'EDF à l'accord tripartitese monte à 450 MF.

Dans ce budget, les contrats extérieurs de recherche et dévelop-pement effectués pour la DER par des équipes de rechercheexternes à l'Entreprise représentent 195 MF, auxquels s'ajoutent29 MF de contrats avec des industriels équipementiers.

Enfin, neuf projets européens dans lesquels la DER participe ontété retenus en 1996; ils concernent des programmes d'un montantd'environ 160 MF.

Le budget d'investissement s'élève à 271 MF soit 0,7 % du mon-tant des investissements d'EDF.

L'activité principale de la DER se décompose de la façon sui-vante :

Appui scientifique

' . " Moyens de productionSurveillance et conduite \ / 30%

18%

EnvironnementApplications Systèmes etde l'électricité matériels électriques

22% 15%

Répartition de l'activité principale par domaine.

GESTION DES RESSOURCES HUMAINES

L'effectif de la DER est de 2 648 agents, soit 2,2 % de l'effectifde l'Entreprise. L'effectif des cadres de la DER représente plus de10 % de l'effectif des cadres de l'Entreprise, diplômés avant recru-tement. La DER contribue à la formation par la recherche descadres de la filière technique de l'Entreprise, en favorisant la mobi-lité inter-Directions : ainsi en 1996, 105 agents ont quitté la DERpour d'autres Directions avec un solde exportateur de 53 per-sonnes.

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NOUVELLES APPLICATIONSDE L'ELECTRICITE

VIVRELEC : le renouveau du confort électrique

mPlancher rayonnant pour VIVRELEC : place à la qualité !

IEIChauffage électrique : le bâti avant tout !

Les courants porteurs : vous êtes déjà câblé !

mInterface clientèle communicante : vers une première génération industrielle

Watt-info : un service de bonne facture

L'hydrosplit : un système de climatisation pour le tertiaire

Analyse des courbes de charge en hôtellerie : le diagnostic trois étoiles

La maîtrise de la demande d'électricité dans l'industrie : premier bilan

Le sécheur infrarouge court SUNAIR : un concept novateur pour le séchage d'enduction en papeterie

F a i t s m a r q u a n t s 1 9 9 6

NO U V E LL E S A PPL I C AT 0 N S D E L> E L EC TR C T £

IVRELEC :LE RENOUVEAU

DU CONFORTELECTRIQUE

Déclinée en trois niveaux de confort, l'offreVIVRELEC est la réponse d'EDF aux attentesdifférenciées des clients, quant à uneévolution du chauffage électrique en termesde confort, de compétitivité et de simplicité.

LA CONCEPTION DES OFFRES VIVRELEC

Destinée au résidentiel neuf (figure 1), l'offre VIVRE-LEC a pour objectif de faire évoluer le chauffage élec-trique d'hier vers plus de confort, une facture réduite etplus de simplicité d'usage. Le concept repose sur uneoffre avec trois niveaux de confort appelés > versions •,regroupant quatre composantes indissociables : le bâti,les émetteurs, le pilotage, les services associés.• Une amélioration d'au moins 10 % du niveau d'isola-tion du bâti est requise par rapport aux exigences régle-mentaires actuelles.• II existe une gamme des solutions d'émetteurs pourchacune des versions. On y trouve des émetteurs plutôtconvectifs, plutôt rayonnants, voire quatre saisons (chaudet froid). A l'intérieur d'une même version, le client peutfaire évoluer son installation.• Chaque version est obligatoirement dotée d'un sys-tème de pilotage centralisé, plus ou moins élaboré, maistoujours simple d'utilisation.• Le service Conseil Confort Electrique permet à l'utili-sateur de maîtriser parfaitement son installation. A courtterme, d'autres services spécifiques à chaque version,viendront compléter celui-ci.

La compétitivité de l'offre électrique est non seulementliée à la qualité des éléments qui la constituent, maisaussi à leur mise en oeuvre. C'est pourquoi l'offre VIVRE-LEC s'appuie sur le nouveau label Confort Electrique(PROMOTELEC devient organisme de certification). LaDER a déterminé des propositions techniques lors de ladéfinition de ce label.

LA VALIDATION DES OFFRES VIVRELEC

Les études réalisées ont permis de montrer qu'une suri-solation thermique de 10 % par rapport aux exigencesréglementaires était un positionnement très pertinent. Lafaisabilité technique de cette surisolation a également étédémontrée, et le surcoût a été jugé tolerable (parexemple : 30 F/m2 pour une maison en zone Hl).

Le chiffrage technico-économique de l'offre a fait l'ob-jet d'une vérification grâce à des études menées dans lecadre d'une collaboration entre le Centre Scientifique etTechnique du Bâtiment et EDF.

Cette faisabilité théorique a été complétée par la réali-sation d'une opération de construction réelle (àColombes en région Parisienne), dans le cadre d'une col-

1. L'offre VIVRELEC fait évoluer le chauffage électrique dans lerésidentiel neuf.

2. Gestionnaire d'énergie.

F a i t s m a r q u a n t s 1 9 9 6

laboration entre la Société Française d'EtudesEnergétiques et EDF, où des immeubles collectifs ontmontré la faisabilité technique et économique des offres.Une vingtaine de logements seront instrumentés.

LES DEVELOPPEMENTS LIES A VIVRELEC

La gestion de l'énergie est un point important d'uneoffre électrique mais apparaît bien souvent commequelque chose de complexe pour l'utilisateur. C'est pour-quoi la DER a développé un dispositif d'intermittenceextrêmement simple d'usage (figure 2).

Le lancement d'une telle offre s'accompagne d'outilsnouveaux comme le logiciel issu de l'étude SOLPAN(SOLutions Performantes en hAbitat Neuf) qui permetd'optimiser la conception des logements pour atteindrel'isolation voulue. De plus, des fiches d'exemples, décri-vant quels sont les moyens à mettre en oeuvre pouratteindre différents niveaux d'isolation, sont en coursd'élaboration avec le Centre Scientifique et Technique duBâtiment et l'ADEME.

Cette offre sera enrichie au fur et à mesure des retoursd'expériences, notamment pour les systèmes thermody-namiques.

L'ACCOMPAGNEMENT OPERATIONNELPOUR LE LANCEMENT

DES OFFRES

Le lancement de l'offre a débuté par une campagned'information interne des Centres de distribution. La DERa participé à l'élaboration des ateliers démontrant la com-pétitivité de l'offre et a assuré l'animation d'un certainnombre des neuf séminaires destinés à informer près de800 agents des Centres.

1997, ET APRES?

EDF reste à l'écoute des différents acteurs du mondedu bâtiment afin de déterminer quelles sont les attentesen termes d'outils, de systèmes, de produits afin derépondre à ces besoins. Des réflexions techniques serontdonc engagées sur les offres d'après demain afin d'anti-ciper la demande.

Département Applications de l'Electricitédans les Bâtiments

LANCHERRAYONNANT

POUR VIVRELEC :PLACE A LA QUALITE !

Bénéficiant d'un taux de satisfaction desusagers de plus de 90 %, le chauffage parplancher rayonnant électrique prendune place de choix dans la nouvelle offreVIVRELEC pour le résidentiel. Afin d'asseoirle développement commercial de ce procédédans une démarche de qualité, les règles deprescriptions d'une installation performanteont été rédigées. Ces travaux débouchent surun cahier des prescriptions techniques quiconstitue la référence pour l'attribution desAvis Techniques et la future base normative.

UN MARCHEQUI SE DEVELOPPE

L'isolation thermique des logements est de plus en plusperformante. La conséquence directe de cette évolutionest la diminution des consommations d'énergie pour lechauffage. On peut ainsi chauffer un logement par le solavec une faible température de surface, le plus souventvoisine de 25 °C, et n'atteignant que quelques jours paran la température maximale autorisée de 28 °C.

Le plancher rayonnant électrique en chape mince

connaît depuis 1986 une expansion importante sur lemarché français, et équipe aujourd'hui environ 10 % duflux annuel des maisons individuelles chauffées àl'électricité, avec un taux de satisfaction des usagers de95 %.

Les avantages du plancher rayonnant électrique (tem-pérature plus homogène, absence de sol froid, gain deplace ...) en font un élément important de l'offre VIVRE-LEC lancée par EDF en janvier 97.

Le plancher rayonnant est composé de câbles élec-triques espacés de 10 à 20 cm, et noyés dans une mince

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Revêtement de sol Elément chauffant

Dalle rapportée / Isolant

Plancher support

/. Schéma et mise en oeuvre d'un plancher rayonnantélectrique.

l'instruction des avis techniques. Il devrait conduire à laqualité des solutions, puis à la normalisation, pour abou-tir enfin à un produit courant (traditionnel).

LES PRINCIPALES REGLESDE CONCEPTION

Le cahier de prescriptions techniques concerne toutautant le produit que sa mise en oeuvre. Les différentsthèmes abordés par ce document portent sur : la spécifi-cation des matériaux et matériels, les règles de concep-tion thermique des ouvrages, les prescriptions d'installa-tion électrique, la mise en oeuvre, les contrôles depremière mise en température de l'installation, les dispo-sitions quant à la mise en oeuvre des revêtements de sol,les documents à fournir et la coordination entre corpsd'état sur le chantier.

Les préconisations établies élargissent le domaine d'ap-plication du plancher rayonnant électrique à de nouvellestechniques de pose, comme l'incorporation des élémentschauffants dans la chape de scellement du carrelage enmaison individuelle, par exemple. D'autre part, la puis-sance des planchers, jusque-là limitée à 85 W/m2, peutêtre augmentée de 20 %. Cette possibilité est très intéres-sante pour accroître la réactivité du système.

La DER s'investit à la fois dans la rédaction de cestextes améliorant la qualité, et dans des collaborationsavec des industriels pour créer de nouveaux produits.

chape de béton (4 à 5 cm) déposée sur 3 à 6 cm d'isolant(figure 1). Cette technique existe depuis une dizained'années, mais elle ne peut être considérée à ce jourcomme une solution traditionnelle. Dans ce cas, pourque les garanties générales du bâtiment s'appliquent, lesystème mis en oeuvre doit bénéficier d'un AvisTechnique favorable.

Pour satisfaire ce besoin, et parce que le plancherchauffant est amené à se développer, il est devenu néces-saire de rédiger un document dressant l'état de l'art desprocédés de chauffage électrique par le sol. Les travauxdu CSTB, à l'initiative de la DER, au côté des partenairesprofessionnels (FNEE, SOCOTEC, PROMOTELEC,UNECB, SYCABEL, ...) ont abouti à la rédaction d'uncahier des prescriptions techniques, véritable outil pour

EN CONCLUSION

La qualité de la mise en oeuvre doit être regardée avecune attention particulière. Dans ce cadre, l'associationSOCOTEC/ELIOPE, créée en septembre 1995, s'étofferégulièrement, afin de regrouper les entrepreneursagréés. Ils seront les garants du respect des préconisa-tions faites dans le cahier des prescriptions techniques etdans les Avis Techniques concernant les différents pro-duits. De ce respect découlent la qualité et la pérennitédes réalisations futures.

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NO U V E L L Ë S A P P L C A T I O N S -D:Ev:.t*E.L E C T R I C I T E:

CHAUFFAGEELECTRIQUE :

LE BATI AVANT TOUT !

Prendre en compte la qualité thermique dubâti dans une opération de rénovation duchauffage électrique est bien souvent plusfacile à dire qu'à faire. La DER a construit unguide de diagnostic visuel du bâti pourdétecter chez ses clients l'opportunité ou lanécessité de sa rénovation.

LE BATIAVANT TOUT !

Les trois millions de logements équipés du chauffageélectrique intégré ont été conçus dans une logique quiimpose une enveloppe et un système de ventilation per-formants, de façon à limiter les pertes énergétiques.Aujourd'hui, les niveaux de performance ont évolué enréponse aux exigences d'économie d'énergie, générantdes technologies du bâti plus efficaces, plus durables etplus fiables. La politique de fidélisation doit permettre deproposer ces évolutions à nos clients.

LE GUIDE DE DIAGNOSTIC VISUEL DU BATI :UN OUTIL AU SERVICE

DE NOS CLIENTS

Les Centres de distribution portent sur le terrain lesactions de fidélisation. La DER y participe en proposantun outil pratique visant deux objectifs complémentaires.D'une part, identifier les causes d'insatisfaction qui peu-vent être liées aux imperfections du bâti, afin de distin-guer entre un besoin de services et un besoin de réno-vation. D'autre part, présenter les solutions deréhabilitation du bâti les plus courantes, leur coût et leurs

/. Fenêtre PVC de réhabilitation

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MOISISSURES ET CONDENSATIONS

Ponts thermiques

Gainesécrasées

Gainesdéconnectées

du grouped'extraction

Raccordsentre gainesdéfectueux

Sous-ventilation

HCI.HII I Défaut[es gaines I I d'installation

Manque d'isolation

Bouclier dVntrôc d'aiou d extraction d'eMraction

arrête

Bouchesd'entrée d'air

en pièceshumides

Absencedebouches

d'entrée d'airen pièces de vie

Pénétration d'eauPercements

des pares-vapeur

«-il laçailc

I UÎtrs d f tll\ :Htcrw-iistrc

En toitureet

comble

Comble perdu :moins de 20 cm

d'isolant

En comble aménagémoins de 10 cm

d'isolant

En toiture terrasse .-moins de 10 cm

d'Isolant

! t I ,„ ,Au plancher I hn mur extérieur

de I n H ouMir '<H-:i' —rc/ de chaussée I non chanfte

Planchernon Isolé

Sous-sol ou videsanitaire

fortement ventilé

Sensationde plancher

froid

Mursnon isolés

Murs isolésavec moins de7 cm d'isolant

Sensationde paroi froide

Courantsd'air froid

Hn fendre

Fuites d'au"sensibles

Condensationsur

les vitrages

Sensationde paroi froide

Entredormants

et ouvrants

Entredormants

et maçonnerie

Entre coffre devolet roulant

et maçonnerie

Porte d'entréedétalonnée

I uites

en toiture

Tuiles

Solinsfissurés

Débordde gouttière

Défautd'étanchéltédes toitures

terrasses

Surface vitrée^supérieure à 15 %

de la surfacehabitable

2. Un exemple de cheminement des symptômes vers les défauts • moisissures et condensations.

avantages tant énergétique, que de confort, d'esthétiqueou d'usage.

IDENTIFIER LES ATTENTES DU CLIENTPOUR ENTREVOIR LES RENOVATIONS

OPPORTUNES

Partant du principe qu'il n'existe qu'un nombre limitéde solutions de rénovation du bâti, la DER les a listées eten a évalué les principaux avantages (autres qu'énergé-tiques) et les conditions favorables à leur mise en oeuvre.Ainsi, par exemple, la fenêtre PVC de réhabilitation(figure 1), outre sa performance thermique propre, per-met d'améliorer l'isolement acoustique, le confort despièces très vitrées et de supprimer la contrainte d'entre-tien.

De plus, le guide présente l'arbre des causes reliantchaque motif d'insatisfaction du client aux défauts res-ponsables du bâti (figure 2).

EN CONCLUSION

Le guide de diagnostic visuel du bâti est un outil pra-tique qui permet d'accentuer la préoccupation concer-nant le bâti dans le conseil au client, de définir les prio-rités entre l'offre de services et les actions techniques deréhabilitation du bâti, et de présenter les solutions perti-nentes de son amélioration.

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£££ Fai t s m a r q u a n t s 1996

N O U V E L L E S A P P L I C A T I O N S DE L ' E L E C T R I C I T Ë

L ES COURANTSPORTEURS :

VOUS ETES DEJACABLE !

Rénover une installation de chauffageélectrique, c'est aussi proposer de gérerintelligemment son énergie. Les courantsporteurs s'y prêtent sans travaux. Enassociant un industriel de la gestion del'énergie à un fabricant de convecteurs(DELTA DORE et ATLANTIC), la DER a favoriséle développement d'une gamme de produitsIntégrant les options tarifaires d'EDF, etdisponibles sur le marché depuis octobre 96.

LES COURANTS PORTEURS :COMMENT ÇA MARCHE ?

La technique des courants porteurs en ligne permet, àpartir d'une simple prise de courant, de diffuser uneinformation sous forme d'un signal haute fréquence, versn'importe quel autre point de l'installation électrique dulogement. Le signal est porté par les câbles électriquesdéjà présents. Il n'est donc pas nécessaire de modifierl'installation électrique du logement pour pouvoir fairedialoguer les produits entre eux.

Les systèmes sont composés d'un ou plusieurs émet-teurs centraux qui diffusent des ordres et des informa-tions à destination de récepteurs locaux assurant la com-mande des appareils gérés. Les protocoles d'accès au

réseau doivent être conformes à la norme EN 50 065-1, etpour certains systèmes, le message émis est associé à uncode distinct pour chaque logement, ce qui garantit lasélectivité des communications (pas de commandeintempestive inter-logements).

LES PRODUITS EXISTENT

EDF a soutenu le développement d'une gamme de pro-duits, permettant la réalisation de systèmes de gestiond'énergie communiquant par courants porteurs en ligne(figure 1), avec un industriel compétent dans le domainede l'électronique et de la gestion d'énergie (DELTADORE) et l'un des trois principaux constructeurs de

Récepteurfil pilote

Récepteurthermostat

Convecteur \ Convecteurfil pilote \ traditionnel

Réseau EDF230V /50Hz

-ou—O—Contacteur Contacteur Compteur

- traditionnelCompteur

électronique

1. Architecture du système de gestion DELTA DORE à courants porteurs en ligne.

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2. Gestionnaire d'énergie el programmateur.

convecteurs (ATLANTIC). La DER a défini le cahier descharges et effectué la validation fonctionnelle des pro-duits permettant la gestion d'appareils de chauffage detype convecteurs et panneaux rayonnants, la gestiond'appareils électroménagers et du ballon d'eau chaude àaccumulation (figures 2 et 3). Ces produits sont commer-cialisés depuis octobre 1996.

LES NOUVELLES FONCTIONS DISPONIBLES

Cette collaboration a permis de mettre à niveau les sys-tèmes à courants porteurs. Jusqu'en octobre 96, les fonc-tions ci-dessous, disponibles en fil pilote, étaientabsentes dans les techniques à courants porteurs, doncpeu accessibles aux logements existants :• La gestion temporelle : pour le chauffage, il est pos-sible d'assurer une programmation temporelle sur une,deux ou trois zones, et pour les automatismes divers(éclairage, volets roulants ...) jusqu'à quatre voies.• La gestion tarifaire : trois voies d'électroménager per-mettent un fonctionnement automatique avec un séquen-cement de mise en marche au début, au milieu et en find'heures creuses. L'asservissement tarifaire du ballond'eau chaude est assuré. En option tarifaire tempo, unabaissement du niveau de confort peut être programméen fonction de la période tarifaire.

3. Récepteurs à courants porteurs en ligne pour la commandede convecteurs.

• La gestion de puissance : un délestage sur quatre voies(trois pour le chauffage et une pour le ballon d'eauchaude) de type cascade et cyclique est proposé.• L'optimisation tarifaire : elle permet de réaliser lesremontées en température à moindre coût dans lesoptions tarifaires Heures Creuses et tempo.• La simplicité d'usage : les interfaces utilisateurs sonttrès accessibles et ont fait l'objet d'une validation ergo-nomique au Laboratoire National d'Essais. Une program-mation personnalisée est possible par carte à puce réali-sée à la demande par DELTA DORE. Cette carte permetaussi l'affichage en francs de la consommation d'électri-cité.

POUR CONCLURE

Les systèmes à courants porteurs en ligne développésallient simplicité de mise en œuvre et performance pourla maîtrise de l'énergie dans les logements existants.

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; N 0 U - V . E L.L E S A P P L I C A T I 0 N S D E L ' E L E C T R I C I T E :

INTERFACE CLIENTELE COMMUNICANTE :VERS UNE PREMIERE GENERATION

INDUSTRIELLE

EDF ET GDF PROPOSENT UNE NOUVELLEOFFRE A LA CLIENTELE

EDF et GDF préparent l'enrichissement de leur offre deservices en faisant profiter leurs clients domestiques desprogrès de la micro-informatique et des communications.C'est l'objet du projet interface clientèle communicante. Ils'agit d'établir un lien de communication permanententre le distributeur et ses clients qui facilite leur relationavec EDF et GDF, mais aussi de leur offrir de nouveauxservices.

L'interface clientèle communicante rendra transpa-rentes les opérations de relevé des compteurs, de gestiondu contrat (mise en service, résiliation, changement decontrat, ...). Ainsi, le client ne sera plus dérangé, tout enétant facturé sur ses consommations réelles. Les habi-tudes de consommation seront identifiées, ce qui per-mettra aux agents d'accueil d'élaborer, avec le client, le

contrat EDF le mieux adapté. Le client sera informé descoupures éventuelles pour travaux, des nouvelles coor-données de l'agence, etc.

LE CONCEPT : UNE ARCHITECTUREDE COMMUNICATION HIERARCHIQUE,

MULTI-FLUIDES, OUVERTE

Pour s'assurer de la pérennité de leurs choix, EDF etGDF s'appuient sur une définition modulaire du systèmeet sur des standards de communication du comptageindustriel et de la domotique. Dans cette architecture,définie par la DER en collaboration avec la Direction dela Recherche de GDF, on retrouve trois niveaux consti-tuant un ensemble cohérent (figure 1) :- un premier niveau, dans lequel on trouve un systèmeinformatique central de gestion des locaux et d'adminis-tration du réseau de communication;

Clients domestiquesDomestic customers

Courants porteurssur ligne basse tension(CPL-BT)

Concentrateur CPLPLC concentrator

Appareils domestiquesDomestics appliances

Concentrateur téléphoneTelephone concentrator

Système centralCentral system

_ 1.ConcentrationConcentration

ICC Aval ICCCCI Downstream CCI

/. Les trois niveaux de l'architecture du système des interfaces clientèle communicante.

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Compteur électricitéElectricity meter

Vers l'extérieur de l'habitatTowards EDF-GDF offices

Couplage CPJet alimentation BM>

PLC couplin

Coupure électricitiElectricity breake

Compteur gazGaz meter

Détecteur de méthaneGaz leak detector

Equipements domestiques UDomestic appliances

Gestionnaired'énergie électrique

ou de confort gazElectricity energy controller

or gaz comfort controller

2. L'interface clientèle communicante dans la maison.

Chaudière à gazBoiler

- un niveau intermédiaire, de concentration des commu-nications avec plusieurs centaines de clients reliés surune même boucle locale. Celle-ci utilisera soit le télé-phone, soit le réseau électrique de distribution avec latechnique des courants porteurs (transmission de signauxde communication sur les fils électriques);- un troisième niveau, organisé autour d'un automatemulti-fluides gérant les traitements et les communica-tions, la borne multi-services (figure 2); il s'agit d'une res-source commune pour la gestion de l'électricité, du gazet de la chaleur s'adaptant aux diverses configurationsdans l'habitat et portant les nouveaux services d'EDF etde GDF.

A ce système d'interface clientèle communicante, leclient pourra raccorder les différents automates domes-tiques tel le gestionnaire d'énergie. La borne multi-ser-vices ménage une ouverture vers le réseau domestique,par l'utilisation des courants porteurs sur l'installationélectrique du client.

connaître les attentes des clients vis-à-vis des nouveauxservices. Les interfaces clientèle communicante expéri-mentales, dont les développements ont été confiés àLANDIS et GYR, SAGEM HAGER et SCHLUMBERGERINDUSTRIES, ont été recettées par les centres derecherche d'EDF et de GDF. Aujourd'hui, plusieurs cen-taines de clients peuvent tester les nouveaux servicesproposés. Des enquêtes de satisfaction seront menéesprochainement.

Les interfaces clientèle communicante font largementappel à la technique des courants porteurs, et pour élar-gir le champ du retour d'expérience, EDF mène simulta-nément sur les mêmes sites une expérimentation tech-nique d'envergure de ce moyen de communication. Pource faire, elle a installé 2 500 points de connexion sur leréseau électrique de distribution. Recueillis et analyséspar la DER, les premiers résultats de l'utilisation des com-munications par courants porteurs sur le réseau bassetension confirment l'intérêt de cette technologie et soncaractère opérationnel.

UNE EXPERIMENTATION A NANTERREET A NANTES POUR TESTERLES NOUVEAUX SERVICES

Une expérimentation sur 2 500 foyers à Nanterre et àNantes est mise en œuvre jusqu'en 1998 afin de mieux

VERS UNE PREMIERE GENERATIONINDUSTRIELLE

Avant de décider de l'éventuelle généralisation d'un telsystème à l'ensemble de la France, il est nécessaire de

F a i t s m a r q u a n t s 1 9 9 6

passer par une étape intermédiaire : la tête de palier d'in-terface clientèle communicante. Cette étape significativeau plan organisationnel, doit conduire à une meilleureévaluation des choix techniques, des coûts industriels etde l'organisation des entreprises pour déployer puisexploiter l'interface clientèle communicante. Un déploie-ment massif sur une zone clientèle cohérente a donc étéprévu. Le site sera choisi en 97.

Cette première génération industrielle s'appuie sur leconcept architectural décrit plus haut. Les spécificationsde la borne multi-services ont été rédigées en 1996. Uneconsultation d'industriels pour le développement de80 000 bornes est en cours. Les autres équipementsconstituant l'interface clientèle communicante (compteurd'électricité et de gaz, disjoncteur télécommandable, ...)seront développés prochainement. Les premiers équipe-ments qualifiés sont attendus pour 1998, l'objectif étantde déployer en deux ans un premier système opération-nel.

A partir de l'expérimentation en cours et de cette têtede palier, EDF et GDF tireront différents enseignementsen matière d'offre de services au client domestique, maisaussi de validation des choix techniques, de possibilitésnouvelles pour l'exploitant de réseau électrique, d'éva-luation des coûts, d'organisation interne pour assumer ledéploiement d'un tel système, de partenariats indus-triels... Autant d'axes qui alimenteront la réflexion déjàengagée sur le futur de l'interface clientèle communi-cante.

Dès aujourd'hui, EDF et GDF se préparent à un avenirproche où les clients chercheront une relation plus per-sonnelle, plus efficace, plus simple avec le distributeurd'énergie. Une étape significative de cette stratégie estfranchie avec le lancement de la première générationindustrielle de l'interface clientèle communicante.

Département Consommations, Clientèle,Télécommunications.

W A T T ~ I N F O ' EDF a m e n e u n e expérimentation sur 4 000clients qui s'est achevée mi-96. Le service

(J N S E R V I C E proposé consistait à leur demander deremplir un questionnaire détaillé et à

D E B O N N E F A C T U R E retourner aux répondants un rapportpersonnalisé, contenant notamment uneestimation de la décomposition de leurfacture réelle selon leurs différents usages.Le bilan étant très positif, EDF a décidé, envue de généraliser l'approche, d'intégrer àtitre expérimental le service WATT-INFO dansla gamme des services proposés à laclientèle résidentielle d'un Centre dedistribution pilote.

Les enquêtes montrent que l'une des attentes les plusfortes des clients domestiques serait de disposer d'infor-mations sur leurs consommations par usage, à l'image dece que fournit FRANCE TELECOM pour le téléphone. Or,dans le cadre de campagnes pour la maîtrise de lademande d'électricité, certaines compagnies d'Amériquedu Nord envoient à leurs clients une estimation de leursdépenses par appareil électrique. HYDRO-QUEBEC, enparticulier, a offert ce service à 60 % de ses clients à par-tir d'un système développé par une société d'ingénierieaméricaine.

Afin de tester en France la pertinence de cet outil, laDER a signé un contrat de recherche et développementavec cette société pour ajuster les paramètres du modèle

d'estimation aux caractéristiques françaises et expérimen-ter le service sur 4 000 clients.

LE SERVICE WATT-INFO :UN QUESTIONNAIRE ET UN RAPPORT

PERSONNALISE

Le service WATT-INFO consiste à adresser par courrierau client un questionnaire relatif à ses habitudes de vie,son logement et son équipement électrique. En retour, ilreçoit un rapport personnalisé, comprenant à la fois uneestimation de la décomposition de sa facture annuelle surles appareils électriques qu'il a déclarés (figure 1), et des

F a i t s m a r q u a n t s

1. Décomposition des dépensesd'électricité d'un client domestiqueselon ses différents usages.

21,7 %17,7 %

12,2 %

12,1 %

9,8 %

7,3 %6,6 %

4,3 %3,2 %

1,8 %1,7 %1,6 %

RéfrigérateurEclairageLave-llnge/Sèche-UngeLave-vaisselleCuissonAutres utilisationsPompe de circulation de chauffageFer à repasserTéléviseurChaîne HIFIOutillage de jardinFour à micro-ondes

conseils d'utilisation et de renouvellement de ces appa-reils.

UNE ENQUETE AUPRES DEQUATRE MILLE CLIENTS

L'expérimentation s'est déroulée en deux phases, deseptembre 94 à mars 96. Dans la première phase, on aajusté les paramètres du modèle statistique aux caracté-ristiques françaises, puis on a validé les résultats obtenusgrâce à des mesures préexistantes chez 500 clients. Dansla deuxième phase, on a mesuré à la fois l'intérêt pour leservice des 3 500 clients sollicités, au travers du taux deretour des questionnaires envoyés par courrier, et la satis-faction des clients répondant, par une enquête télépho-nique réalisée après l'envoi des rapports.

DES RESULTATS TRES POSITIFS

L'expérimentation s'est avérée très positive. En effet,les résultats bruts montrent que :- le modèle d'estimation est pertinent : pour 80 % desclients contactés dans la première phase, l'écart entrevaleurs mesurées et valeurs estimées n'excède pas 15 %;- le taux de retour des questionnaires est particulièrementsatisfaisant : il atteint 38,5 %, un excellent résultat pourune enquête par courrier;- le service proposé est très bien perçu : 93% des clientsse sont déclarés satisfaits ou très satisfaits du rapport

qu'ils ont reçu, et 30 % se sont déclarés prêts à payer leservice.

L'analyse détaillée des résultats a permis d'identifier lespoints à améliorer pour affiner les estimations, et dedétecter les clients les plus intéressés. Ce sont les clientsavec un contrat Heures Creuses, qui consomment plus de7 000 kWh par an. 80 % d'entre eux chauffent leur loge-ment à l'électricité. De plus, une forte corrélation a étémise en évidence entre les caractéristiques de facturationdes clients ayant répondu au questionnaire, et l'usagequ'ils font de leurs appareils électriques (parc et fré-quence d'utilisation).

MIEUX CONNAITRE L'USAGE QUE NOSCLIENTS FONT DE L'ELECTRICITE

EDF a décidé d'introduire WATT-INFO dans la gammedes services d'un Centre de distribution pilote en 1998.D'ici là, le modèle d'estimation sera affiné à partir desrésultats issus des campagnes de mesures sur les usages,et l'ensemble du système WATT-INFO sera adapté pourqu'il s'intègre aux outils déjà mis en place à EDF pourgérer la clientèle.

Département Consommations, Clientèle,Télécommunications.

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N O U V E L L É S A P P L I C A T I O N S D E W t L E C T R ! C T Ê

L'HYDROSPLIT :UN SYSTEME

DE CLIMATISATIONPOUR LE TERTIAIRE

La climatisation tertiaire repose en grandepartie sur des systèmes à distributionhydraulique. Ces matériels laissent encoreune grande latitude à l'installateur, qu'ilconvient d'aider dans une mise en œuvreencore délicate. Développé en partenariatavec l'industriel TRANE sous le nomd'Aquastream, l'hydrosplit répond à cetteattente. Par des essais en laboratoire et unsuivi sur site, la DER a contribué à la mise aupoint d'une nouvelle génération de produitscommercialisés en 1996.

LA CLIMATISATION SE DEVELOPPE

La climatisation connaît un réel développement dans lesecteur tertiaire depuis cinq ans. Dans les bâtimentsneufs de type bureaux, hôtels ou commerces, le tauxd'équipement dépasse aujourd'hui 40 %, alors qu'il attei-gnait à peine 25 % en 1989. La complexité de la concep-tion et de la mise en œuvre reste cependant un frein audéveloppement de la climatisation. Le nouveau conceptde climatisation baptisé «hydrosplit» est une réponse pro-metteuse à cette question.

La conception et le dimensionnement des éléments duréseau hydraulique autorisent la desserte en parallèle deneuf modules, soit jusqu'à 36 appareils terminaux, à par-tir d'un même générateur.

UN SUIVI IN SITU ET DES ESSAISEN LABORATOIRE

La première installation était l'occasion, pour la sociétéTRANE, de démontrer les performances du système. Les

L'HYDROSPLIT : POUR FAIRE PLUS SIMPLE

L'objectif de l'hydrosplit est de simplifier la prescrip-tion, l'installation et la mise en service. D'une part, enintégrant dans le générateur des accessoires du réseau dedistribution tels que vase d'expansion, pompe de circula-tion adaptée et ballon tampon anti court-cycle. D'autrepart, en présentant sous forme de gamme l'ensemble deséléments constituant le système.

Plusieurs industriels proposent aujourd'hui sur le mar-ché français des produits de type hydrosplit. Dans lecadre d'une collaboration avec la société TRANE engagéedès 1994, les travaux de la DER ont permis de valider cenouveau concept et de proposer des solutions d'amélio-ration pour la régulation et la gestion.

Local techniqueEquipment room

Module dedistributionDistributionmodule

Circulateurpar émetteur

RéseauprimairePrimarysystem

xBipasseBypass

BureauxOffices

Terminal 1

Terminal 2

Terminal 3

'ermlnal4

/. Schéma de principe du concept Aquastream.

L'EXEMPLE DE L'AQUASTREAM DE TRANE

La spécificité de ce système réside dans le concept deson réseau hydraulique. En effet, afin de simplifier aumaximum la mise en route du système, l'équilibrage duréseau a été rendu inutile par la mise en place d'unepompe de circulation par émetteur. L'installation se pré-sente donc comme indiqué figure 1.

bureaux de la société AGIBAT, situés dans le Doubs(figure 2), ont été choisis pour site pilote. Il s'agit d'uneopération de substitution au système de chauffage, avecun confort accru par la réversibilité de l'Aquastream. Lasurface étant de 250 m; pour neuf bureaux, l'installationse compose dune pompe à chaleur réversible de 15 kWau point nominal, de trois modules de distribution et de

F a i t .s m a r q u a n t s 1 9 9 6

neuf unités terminales. Le suivi a mis en évidence lespoints suivants :- des débits de fuite permanents liés à la conception dumodule de distribution;- un système de régulation des unités terminales com-plexe mais fonctionnant parfaitement;- une pompe de circulation du réseau primaire en fonc-

2. Les bureaux de la société AGIBAT, choisis comme site pilotepour l'essai de l'Aquastream.

tionnement permanent, dégradant le coefficient de per-formance de la pompe à chaleur;- des utilisateurs parfaitement satisfaits du confort obtenuen chauffage et en rafraîchissement.

Le suivi a été accompagné d'essais en cellules clima-tiques à la DER, qui ont permis d'apporter une solutionau dysfonctionnement du réseau hydraulique, et de qua-lifier le confort thermique.

QUEL AVENIR POUR LE CONCEPTHYDROSPLIT?

Attendu par les bureaux d'études et surtout les instal-lateurs, le concept hydrosplit devrait peu à peu gagnerdes parts de marché. Il fait partie de l'offre proposée parEDF pour le tertiaire sous le nom d'Amplitude. Il n'estretenu aujourd'hui que pour les bureaux. Afin qu'iltrouve également sa place dans le secteur hôtelier oudans le résidentiel, plusieurs aspects doivent être étu-diés : le coût du système, la possibilité de raccordementà un système de gestion technique du bâtiment et l'inté-gration du réseau hydraulique dans l'offre -système".

Département Applications de l'Electricitédans les Bâtiments.

ANALYSE DESCOURBES DE CHARGE

EN HOTELLERIE :LE DIAGNOSTIC TROIS

ETOILES

Notre outil de facturation qu'est le compteurVert électronique est un véritablestéthoscope. En télérelevant ces compteursdans une quarantaine d'hôtels, la DER aapporté aux clients du tertiaire un serviceappréciable en analysant leurs courbes decharge. L'ajustement de leur contrat auprèsd'EDF est une première retombéesignificative, mais on peut égalementobserver des dysfonctionnements oudétecter de mauvais délestages. L'accueilpar les services techniques des chaîneshôtelières et par les Centres de distributiona été extrêmement favorable.

SENSIBILISER LES HOTELIERSA LA GESTION ENERGETIQUE

L'actuelle rénovation du parc hôtelier présente l'op-portunité d'améliorer les applications de l'électricité maisaussi le risque de les voir abandonnées. Les applica-tions et la technique associée ne faisant pas partie ducœur du métier des hôteliers, la fidélisation doit êtreefficace. L'analyse de la courbe de charge de sites équi-pés de comptages Verts électroniques répond à cetimpératif.

UN CAPTEUR DEJA EN PLACE...

Pour assurer leur fonction de comptage et de factura-tion, les compteurs Verts électroniques archivent lesconsommations, les puissances souscrites et les puis-sances moyennes sur dix minutes. Cette caractéristiquepeut être exploitée par la télérelève des sites équipés. Cevéritable stéthoscope connecté à un PC nous a permisd'observer une quarantaine d'hôtels dans toute la France(figure 1). La DER a ainsi diagnostiqué une dizaine dedysfonctionnements possibles.

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/. Un PC de télérelève.

... QUI NOUS PERMET D'OBSERVERCERTAINES ANOMALIES

• Une relance de tous les ballons d'eau chaude sanitaireau passage en Heures Creuses (figure 2) : le décalage detrois heures de 50 % des ballons permettrait de limiter lapuissance appelée et de réduire la puissance souscrite enHeures Creuses d'Hiver. Cette anomalie (relance simulta-

née de tous les ballons) est l'une des plus fréquemmentrencontrées (figure 3)-

• Un manque de dialogue entre le compteur et la gestiontechnique des bâtiments : beaucoup d'hôtels en sontéquipés, mais bien souvent les informations disponiblessur le compteur ne sont pas exploitées. La gestion tech-nique des bâtiments est alors utilisée comme une simplehorloge.

Courbe de charge Hôtel*** 300 chambresPuissance 21 janvier 95 : 13 heures

Power "*-•-.(kW)

2. Un exemple de dysfonctionnement • relance de tous lesballons d'eau chaude sanitaire en Heures Creuses.

PuissancePower(kW)

°-f-T*"l I

HC

Courbe de charge Hôtel*** 80 chambres04 janvier 95 : 06 h 10

HP HP P 1 HP | HC~

Heures!_i Hours

3- Courbe de charge comportant un défaut. D'après vous, quelest ce défaut ?

np judip jatuuoqnp nvamu nv sautajj saunan is sasnajj saxnau SIDVJUOO

S3J 3UJU9 UOISU3ÛUI H3 V l( jj S3U13JJ S3UH3fl U3 \U3Ul3nb\Un

lU3UU0tpU0f 3UWIIIWS 3p>Wq3 nV3.p SUOjjVq S3J : 3SU0(j3}J

F a i t s m a r q u a n t s 1 9 9 6

Nous avons constaté sur certains sites des délestages sys-tématiques en pointes sans tenir compte ni de la puis-sance appelée, ni du jour de la semaine.

• Des puissances souscrites inadaptées : en corrélant lesappels de puissance avec le jour le plus froid, on peutsavoir si la souscription de puissance est correcte. Sur lescas traités, certains clients avaient souscrit trop depuissance : pour un hôtel particulièrement mal optimisé,le réajustement permettait une économie d'environ100 kF HT par an, ce qui est loin d'être négligeable. Al'inverse, en connaissant la puissance des appareils ins-tallés, on peut détecter une puissance souscrite tropfaible.

UN ACCUEIL FAVORABLE

Cette démarche a été présentée aux responsables tech-niques de groupes hôteliers (ACCOR, ENVERGURE), ainsiqu'à nos collègues de plusieurs Services des RelationsCommerciales d'EDF. Enfin, ce sujet a été exposé enfévrier 96 à Lyon lors du salon RénovHôtel.

Une démarche similaire est en cours dans le secteurdes grandes et moyennes surfaces. Cet outil devrait, làaussi, être une garantie de meilleur service.

Département Applications de l'Electricitédans les Bâtiments.

A MAITRISE DE LA DEMANDE D'ELECTRICITEDANS L'INDUSTRIE : PREMIER BILAN

UNE NOUVELLE DEMARCHE...

La maîtrise de la demande d'électricité dans l'industrie,dont le but est d'aider nos clients à maîtriser leursdépenses énergétiques, est ciblée actuellement sur l'utili-sation de variateurs électroniques de vitesse pour lesmoteurs de pompes et ventilateurs. Cette démarche estmenée avec l'ADEME. La satisfaction des clients et l'inté-rêt collectif répondent aux objectifs recherchés.

... POUR REPONDRE AUX ATTENTESDES CLIENTS INDUSTRIELS...

Une enquête menée en 1994 par la DER et le GIMELECa montré le haut niveau de satisfaction des industriels vis-à-vis des variateurs électroniques de vitesse qu'ils utilisentdéjà, généralement pour des raisons de performance et defacilité d'exploitation. De plus en plus d'industriels sou-haitent également prendre en compte le critère d'écono-mies d'énergie, et accueillent très favorablement ladémarche de maîtrise de la demande d'électricité qui sedéroule de la manière suivante :- visite du site et sélection des usages à fort potentield'économies d'énergie;- réalisation d'un diagnostic énergétique sur les usagessélectionnés avec des mesures (ou pour un projet denouvelle installation), et conclusion sur la faisabilité tech-nique et économique d'installer des variateurs électro-niques de vitesse (figure 1);

- installation de variateurs si telle est la décision duclient;- retour d'expérience.

Les travaux de la DER, initiés fin 1994, ont permis demettre en place cette démarche avec les outils associés(guide de diagnostic énergétique, guide sur les variateursélectroniques de vitesse diffusé par le Centre français del'électricité, fiches de références industrielles), avec l'ap-pui de bureaux d'études, et sous le pilotage de laDirection du Développement.

Chaque opération intègre une étude de la compatibilitédes variateurs avec le réseau et la charge entraînée,notamment en termes d'émission de courant harmoniqueet d'immunité aux creux de tension.

Un partenariat entre LEROY SOMER et la DER s'estconclu par la mise sur le marché, début 1996, de lagamme de variateurs UMV 3301 de 55 à 500 kW immuni-sés jusqu'à une baisse de tension d'alimentation de 30 %sur les trois phases, sur la base d'un principe développéet breveté par EDF en 1992.

... EXPERIMENTEESUR UNE TRENTAINE

DE SITES INDUSTRIELS

Sur une quarantaine de visites effectuées chez desclients industriels depuis mi-1995, une trentaine d'opéra-tions de maîtrise de la demande d'électricité ont été

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Puissance électrique absorbée (kW)Absorbed electric power (kW)

120

100

80

60

40

20

0

Vanne de régulationThrottle control

Varlateur électroniqueElectronic drive

450 600 750 900 1050 1200 1350 Débit GnVh)Flow (mVh)

Vanne de régulationThrottle control

Débit variableVariable flow

Pompe / Pump ..;"• •

r -O

1. Puissance électrique absorbée par une pompeen fonction du débit, suivant qu 'elle est équipéed'une vanne ou d'un variateur électronique devitesse.

«i'H

VitessevariableVariablespeed

Capteur de débitFlow sensor

Variateur électroniqueElectronic drive

Moteur / Motor

mises en place; elles sont pilotées conjointement par laDER (sur le plan technique) et les centres EDF GDF SER-VICES (pour l'aspect commercial).

Une première visite de la DER permet de cibler lesopérations là où des gains significatifs sont réellementpossibles. La réalisation des diagnostics énergétiques estensuite confiée à des bureaux d'études spécialisés etdûment formés.

Sur la quinzaine de diagnostics conclus à ce jour,aucune suite n'a été donnée dans un tiers des cas, lesdeux tiers restants ont conclu sur des gains de quelquespour-cent à dix pour-cent de la facture d'électricité, avecdes temps de retour d'investissement des variateurs élec-troniques de vitesse inférieurs à deux ou trois ans sur despompes et ventilateurs.

La majorité des industriels souhaitent alors investir, ou

ont même déjà installé les variateurs électroniques devitesse :- le site de KRONEMBOURG à Nancy économise ainsiplus de 150 kF par an sur sa facture d'électricité aprèsavoir installé trois variateurs sur des pompes de 35 à50 kW;- le site de BULL d'Angers a chiffré une économieannuelle de 1,3 MF grâce à 27 variateurs installés sur desventilateurs de 15 à 18,5 kW dans le conditionnementd'ambiance;- un variateur de 315 kW sur un ventilateur de broyeur àl'usine LAFARGES de Martres permet d'économiser150 kF par an;- et bien d'autres cas en agro-alimentaire, chimie, plas-tique, ...

Département Machines Electriques.

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N O U V E L L E S A P P L I C A T I O N S D E I '

LE SECHEURINFRAROUGE COURT

SUNAIR :UN CONCEPT NOVATEUR

POUR LE SECHAGED'ENDUCTION

EN PAPETERIE

Sécher sans contact les feuilles de papierapràs enductlon est une opération délicate,habituellement effectuée en plusieursétapes. Le procédé SUNAIR, mis au point parla société 1RS avec l'aide d'EDF, combine leséchage par infrarouge électrique et ledétour de la feuille de papier sans contact.Son Implantation sur un site industriel estune première. Le soutien apporté par la DERpour remédier aux défauts de jeunesse acontribué à son succès.

L'INFRAROUGE ELECTRIQUE EN PAPETERIE

Le rayonnement infrarouge est une technologie éprou-vée, qui répond au souci permanent qu'ont les papetiersd'améliorer la qualité de leurs produits. L'infrarouge courtélectrique a pour atouts propres une forte densité depuissance et la souplesse de régulation. Il a acquis uneposition dominante sur le créneau de la régulation deprofil d'humidité. Cependant, la pression des coûts éner-gétiques, le rétrécissement du marché ainsi que les pro-grès réalisés par les radiants gaz, tendent à fragiliser lespositions acquises. Ceci pousse les constructeurs àrechercher, sans cesse, des solutions plus performantes.

La société 1RS, spécialisée dans la fabrication de pan-neaux et de fours infrarouges, collabore depuis plusieursannées avec la DER. Cette société est devenue l'un despremiers fournisseurs de l'industrie papetière françaisepour ce type d'appareil. Et c'est au sein de cette entre-

prise qu'est née l'idée du SUNAIR, un appareil qui com-bine le séchage infrarouge au détour de la feuille depapier sans contact.

LE SUNAIR :DU CONCEPT INNOVANT

A LA PREMIERE INDUSTRIELLE

Le collage et le couchage sont des opérations quiconsistent a effectuer un dépôt à la surface du papier,destiné à en améliorer les caractéristiques. Après l'en-duction, le séchage de la feuille gagne à être réalisé sanscontact. Ainsi, jusqu'à présent, les panneaux radiantsétaient précédés d'un système de détour de feuille parcoussin d'air.

L'idée qui a présidé à la conception du SUNAIR est nonseulement de réunir les deux fonctions, séchage et

/ . Le sécheur à infrarouge SUNAIRen service chez MATUSSIERE etFOREST.

F a i t s m a r q u a n t s 1 9 9 6

détour, en un seul appareil, mais aussi d'améliorer le ren-dement énergétique des sécheurs infrarouges. En 1994,EDF a fait procéder à une évaluation du concept SUNAIRau Centre Technique du Papier, par des essais d'un équi-pement de 200 kW sur un banc pilote. Ces tests ont misen évidence la facilité de régulation de la pression ducoussin d'air en fonction de la tension de la feuille depapier, et ont montré que le rendement énergétique étaitde 5 % supérieur à celui d'un sécheur infrarouge clas-sique.

Après cette expérimentation probante, validant leconcept, le pas vers la réalisation industrielle a pu êtrefranchi en 1995 avec la fourniture par 1RS d'un SUNAIRde 1 440 kW à une papeterie du groupe MATUSSIERE etFOREST (figure 1). La compacité du système a permis lamodification du parcours de la feuille et l'insertion d'uncylindre vapeur supplémentaire. Placé directement ensortie de la presse encolleuse, le SUNAIR facilite l'emploid'enductions pigmentées, ce qui permet au papetierd'améliorer la qualité de ses produits.

Température (°C)

1200

1000

800

600

400

200

0 60

Acier nu / Bare steel, Dépôt Z2/Z2 coating

120 180 240Temps (s)Time (s)

2. Réduction de température obtenue par un revêtementréfléchissant en céramique, déposé sur les pièces critiques(échantillons de Znl2Cr25.20 avec ou sans dépôt céramiquesoumis à un éclairement de 200 kW/m2).

LE SUCCES D'UNE ETROITECOLLABORATION

Le passage au stade industriel comportait des risques,en raison du changement d'échelle. Aussi la mise en ser-vice du SUNAIR chez MATUSSIERE et FOREST a-t'elle étésuivie tout particulièrement par EDF. L'appareil a été ins-trumenté par la DER dès la conception, de façon à per-mettre la scrutation en continu, sur près de quarantepoints de mesures, de paramètres tels que la pression ducoussin d'air ou la température des panneaux radiants.

En fonctionnement depuis mai 1995, le SUNAIR a tou-jours fait preuve d'un excellent comportement aérau-lique, tant pour l'engagement de la feuille que pour ]'aé-roportage, c'est-à-dire le changement de direction de lafeuille. Cependant, après quelque temps de fonctionne-ment à pleine puissance, des déformations ont été obser-vées au niveau de certaines pièces soumises au rayonne-ment infrarouge.

Sollicitée par le constructeur, la DER a montré, en réa-lisant des calculs sur les échanges thermiques au niveaudes pièces incriminées, qu'une réduction de l'émissivitéde ces dernières pouvait constituer une solution au pro-blème. Les essais menés dans les laboratoires d'EDF surdes pièces revêtues de différents dépôts céramiques ontconfirmé que leur température pouvait être réduite de400 °C (figure 2). Les tests de longue durée réalisés chezle constructeur ayant été probants, ce dernier a décidé demettre en oeuvre la solution préconisée par la DER. Denouvelles pièces ont été réalisées, dans une nuanced'inox plus résistante, redessinées pour permettre unelibre dilatation, et revêtues d'un dépôt céramique réflec-teur. Ces éléments ont été remplacés progressivement aucours du premier trimestre 96. Depuis, le SUNAIR donneentière satisfaction au papetier et permet une augmenta-tion de 9 % de la vitesse de la machine, sur les produc-tions pour lesquelles la sécherie vapeur était en limite decapacité.

Département Systèmes Energétiques.

NSXTPAQE(S)left ANK

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MOYENS DE PRODUCTION

MINOTAURE : amélioration du pilotage des centrales

o

ORION : la juste mesure pour l'exploitation du nucléaire

Optimisation des plans de chargement du combustible des REP : LOOP répond aux besoins d'EDF

Le couplage des codes THYC, COCCINELLE et CATHARE appliqué au calcul d'accidentde type rupture de tuyauterie vapeur

Etude thermohydraulique de l'enceinte de confinement en situation post-accidentelle

oSimulation numérique de l'effet chaudière dans les robinets-vannes

Des solutions pour les bras morts des circuits auxiliaires des REP

iUVibrations des piquages de tuyauterie : le système de contrôle et d'analyse ASPIQ

Entraînement à vitesse variable des pompes de refroidissement de Gravelines : une solution qualifiée

ElAnalyse tridimensionnelle des nouvelles conceptions de turbines à vapeur

Défauts en surface externe des liaisons bimétalliques : leur origine est maintenant identifiée

ElUne manière simple d'évaluer la fragilisation d'un composant en service

Le dimensionnement probabiliste des coefficients de sécurité :un complément aux approches déterministes pour la codification

Modélisation des géomatériaux en thermo-hydro-mécanique couplée

Une charte de qualité pour l'alimentation des sites isolés au moyen d'énergies renouvelables

F a i t s m a r q u a n t s 1 9 9 6

M 0 Y EN S B ESP R O.D.U.C T. I O N :

INOTAURE :AMELIORATION

DU PILOTAGEDES CENTRALES

Les systèmes de pilotage des centralesactuelles sont des dispositifs complexesdevant concilier des exigences souventantagonistes (manoeuvrabillté, durée de vie,compétitivité et sûreté). Ils sontperfectibles, grâce aux avancées réaliséesdans le domaine de l'automatique. L'exempleprésenté montre les gains potentiels quepourraient apporter certaines modificationsen termes de réduction de la fatigue desmatériels (Ici, les mécanismes de commandede grappe).

DES OPERATIONS COMPLEXES...

Le pilotage d'une centrale REP est une opération com-plexe conduite via un système qui regroupe les moyensd'actions permettant de répondre aux exigences de sta-bilité du système électrique (groupes de production etréseau de transport d'électricité), caractérisées par l'ajus-tement en temps réel de la production à la consomma-tion.

... A FORTS ENJEUXTECHNICO-ECONOMIQUES ANTAGONISTES

La conception des systèmes de pilotage des nouvellesunités de production, ou la définition des améliorationspotentielles des systèmes existants, sont au centre d'en-jeux technico-économiques importants. Un système depilotage est optimisé quand il permet de concilier, aumieux, des exigences souvent antagonistes : d'une part lamanoeuvrabilité et la durée de vie des unités de produc-tion, d'autre part la sûreté et l'exploitation économique-ment compétitive de ces unités (figure 1). C'est à la croi-sée de ces exigences que se positionne le projetMINOTAURE.

MIEUX APPREHENDER LA COMPLEXITE ETAMELIORER LES SYSTEMES DE PILOTAGE

Le projet MINOTAURE se concentre sur l'étude dequelques cas représentatifs d'amélioration des systèmesde pilotage des centrales actuelles. Ceci afin de mieuxappréhender la complexité des enjeux précédents et demieux les concilier grâce à un meilleur niveau d'automa-tisation. Cette complexité, que l'on peut symboliquementreprésenter par un labyrinthe, a conduit à la dénomina-tion MINOTAURE du projet. Le cas présenté ci-aprèsmontre les possibilités d'amélioration existantes.

Marges de sûretéSafety margins

Durée de vielife management

ManoeuvrabilitéManoeuvrability

Gains économiquesEconomie competitiveness

/. Des systèmes de pilotage pour concilier des exigencesantagonistes.

L'ADAPTATION DE LA CONSIGNEDE TEMPERATURE MOYENNE DE L'EAU

PRIMAIRE DES REP 900 MW

Dans la régulation actuelle de la température de l'eauprimaire des tranches REP 900 MW, un filtre du premierordre à constante de temps Tau atténue les demandes devariations trop rapides de la température, lesquelles peu-vent entraîner des sollicitations trop importantes desgrappes de commande (du groupe R) réglant cette tem-pérature (ce qui est défavorable à la durée de vie de

ESI F a i l s m a r q u a n t s 1 9 9 6

Pression GVSG pressure Seuil de décharge à l'atmosphère

Atmospheric relief setpoint

Marge garantieWarranty margin

Tau élevée 60 sHigh Tau value 60 s Tau non linéaire

de 60 à 10 sNon linear Tau valuefrom 60 to 10 s

Tau faible 10 s(valeur actuelle)Low Tau value 10 s(current value)

Zone à Tau élevée permettant de réduireles sollicitations à charge élevéeHigh Tau value to minimizestresses at high load level Temps (mn)

Time (mn)

10I

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20

Baisse de charge de 100 à 15 %Load reduction from 100 to 15 %

2. Adaptation non linéaire de la constante de temps de filtragede la consigne de température.

leurs mécanismes). De plus, des surinsertions de cesgrappes sont préjudiciables à la sûreté (l'antiréactivité àinsérer dans le coeur du réacteur en cas d'arrêt d'urgencen'étant plus suffisante).

Afin d'éviter ces inconvénients, l'idée première consisteà augmenter un peu cette constante de temps (de valeuractuelle dix secondes), en veillant à ne pas trop détério-rer les performances dynamiques de la régulation. Onpeut d'abord penser à augmenter uniformément laconstante de temps de filtrage : en la passant à soixantesecondes, par exemple. C'est, disons, la solution sim-pliste ...

En effet, par rapport à la solution actuelle, cette aug-mentation uniforme de la constante de temps (courbe enbleu de la figure 2) a au moins un inconvénient : celuide réduire, en fin de baisse de charge rapide, la margegarantie par rapport au seuil de décharge à l'atmosphèredes générateurs de vapeur (spécification FRAMATOME).

Un autre inconvénient, identifié via des simulationsnumériques, est l'augmentation sensible des écarts transi-toires entre la température mesurée et sa référence (onrisque fort de dépasser le seuil d'alarme de 2 °C corres-pondant).

Une solution techniquement et économiquement plusintéressante existe : elle consiste, à charge élevée, àépouser la courbe relative à la constante de temps desoixante secondes, et ensuite à s'écarter progressivementde cette courbe avec la réduction de charge (courbe enjaune de la figure 2) pour retrouver à basse charge lacourbe relative à la constante de temps actuelle (enrouge), ou légèrement plus élevée : quinze secondes. Onconcilie ainsi les avantages et inconvénients des solutionsà dix et soixante secondes, d'autant que l'économie surles manoeuvres des grappes est surtout intéressante àcharge élevée (là où l'installation est destinée à fonction-ner le plus souvent). En situation dite de > téléréglage depalier haut », on peut ainsi économiser un bon quart desmanœuvres cumulées des grappes du groupe R, ce quiest une économie très substantielle, favorable à la duréede vie des mécanismes (résultat obtenu sur code decalcul).

DES AVANCEES CONCRETES POUR LESCENTRALES ACTUELLES ET FUTURES

Basé sur une analyse approfondie du fonctionnementde l'installation, l'exemple précédent (même s'il n'est pasparfait en tout) montre une nette avancée par rapport àla situation actuelle. Ce type d'amélioration constitue uneproposition, en vue d'une intégration possible (au cha-pitre durée de vie) dans le lot des modifications mises enplace à l'occasion des prochaines arrêts décennaux descentrales.

D'autres cas, parfois plus complexes et faisant appelplus largement à des méthodes d'automatique avancée,ont été étudiés dans le projet. Les solutions qui en résul-tent peuvent avoir un impact économiquement intéres-sant pour les tranches futures, voire actuelles au prix dequelques modifications de conception.

Département Contrôle, Commande des Centrales.

F a i l s m a r q u a n t s 1 9 9 6

M 0 Y E N S D E::PR 0 D U C T 1 0 N

ORION :LA JUSTE MESURE

POUR L'EXPLOITATIONDU NUCLEAIRE

Des enjeux économiques forts sont associésaux décisions de rechargement des REP. Faceaux exigences multiples et parfois opposéesqui touchent la gestion des arrêts, unarbitrage est nécessaire. Le projet ORION,piloté par la DER, a dégagé une modélisationpour rétablissement des plannings d'arrêtsdes réacteurs.

LE PLACEMENT DES ARRETSDU NUCLEAIRE : DES ENJEUX

CONSIDERABLES

La composition du parc d'EDF, dont la puissance ins-tallée est à 60 % nucléaire, fait de la gestion du nucléairel'un des enjeux économiques principaux pourl'Entreprise. La planification des arrêts pour recharge-ment est en particulier au centre de la gestion prévision-nelle d'EDF; à ce titre, c'est l'un des facteurs d'augmen-tation de l'efficacité de l'Entreprise dans les années àvenir.

D'une part, la programmation des rechargements doitgarantir que la disponibilité programmée du parc suive lademande. D'autre part, seules de bonnes décisions d'ar-rêt des réacteurs permettent d'utiliser au mieux le poten-tiel énergétique du combustible nucléaire. Les enjeuxassociés à ces deux points sont considérables : on peutperdre plus de 100 MF en plaçant un arrêt en hiver plu-tôt qu'en été, ou économiser quelques 500 MF par angrâce à une utilisation efficace du combustible nucléaire !

DES EXIGENCES MULTIPLES A CONCILIER

Le processus décisionnel de la programmation desrechargements nucléaires met en jeu différents acteurs ausein de l'Entreprise. D'une part, des acteurs opération-nels, parmi lesquels interviennent notamment les exploi-tants du parc nucléaire. D'autre part, le Centre nationald'exploitation du système, chargé d'établir une program-mation des arrêts s'inscrivant dans le cadre plus généralde la gestion prévisionnelle du système de productiond'EDF. Ce schéma décisionnel fait donc apparaître unedouble exigence :- côté opérationnel, les exploitants des centralesnucléaires doivent prendre en compte des contraintesliées à l'exploitation ou bien à l'organisation des travauxde maintenance, qui sont menés au cours des arrêts pourrechargement. Il s'agit notamment de faire face au pro-blème de limitation en ressources humaines (disponibi-lité des prestataires) et matérielles (machines de contrôleen faible nombre au niveau national), dû en partie à la

spécificité des travaux de maintenance des centralesnucléaires;- côté exploitation du système, la gestion prévisionnelledes arrêts doit garantir la satisfaction de la demande dansles meilleures conditions d'économie et de sûreté pour lesystème.

Face à ces exigences, parfois contradictoires, la prisede décision est souvent un exercice délicat. A titred'exemple, la saisonnalisation des arrêts peut être unsujet de discussion entre les différents intervenants : uneforte concentration des arrêts en été (où la demande estmoindre) est économiquement favorable au système. Enrevanche, les exploitants du parc nucléaire privilégientun lissage plus prononcé des arrêts sur l'année en raisondes contraintes évoquées précédemment. Aussi, la pré-sence d'un - arbitre • est-elle imperative pour que, malgréles divergences possibles, les différents acteurs de la ges-tion des arrêts parviennent à s'accorder sur le choix dumeilleur placement.

LA REPONSE DU PROJET ORION :UN MODELE RETENU COMME ARBITRE...

Dans le cadre du projet ORION, la DER a mis à la dis-position du Centre national d'exploitation du système, enoctobre 95, un modèle dont la fonction est d'aider auxarbitrages nécessaires au placement des arrêts. BaptiséPLAFIGE, ce modèle permet de calculer très précisémentle coût, pour l'ensemble du système, d'un planning d'ar-rêts déterminé. Pour cela, il modélise l'équilibre produc-tion - consommation sur une période de cinq ans, en re-présentant explicitement le fonctionnement des tranchesnucléaires. Il prend en compte de façon très précise leprocessus de déchargement / rechargement du combus-tible nucléaire lors de chaque arrêt. Sur la base de cettemodélisation fine, l'outil détermine, pour un planning dedates fixé, un plan de production pour chaque centralenucléaire, en optimisant le coût du combustible nucléaireet fossile nécessaire à la satisfaction de l'équilibre offre /demande. Cette optimisation du plan de production four-nit une évaluation très précise du coût de gestion du sys-tème, relatif au placement des arrêts considéré.

m F a i t s m a r q u a n t s 1 9 9 6

Le processus décisionnel de la programmation des rechargements nucléaires

La planification des arrêts pour recharger les réacteursnucléaires s'effectue dans le cadre du Groupe d'ac-tualisation du programme d'entretien. Cette instancedécisionnelle prévoit une mise à jour du placement desarrêts des REP sur un rythme mensuel. Le choix decette fréquence résulte d'un compromis entre le désird'une bonne réactivité face aux aléas qui affectent lesystème, et la volonté de ne pas remettre en cause tropsouvent les décisions d'arrêts.Le processus décisionnel de la planification desrechargements nucléaires met enjeu différents acteursau sein d'EDF.Le Centre national d'exploitation du système, chargéde l'élaboration des plannings d'arrêts, est au centrede ce processus. Chaque mois, le Groupe d'actualisa-

tion fonctionne en deux étapes .-- la réunion - hypothèses -, au cours de laquelle sontcollectées l'ensemble des contraintes spécifiques à cha-cun des acteurs opérationnels (parc, sûreté nucléaire,combustible, réseau, etc.);- la réunion 'planning -, où est présenté le planningd'arrêts élaboré sur la base de ces contraintes ainsique le chiffrage d'un certain nombre de variantes.Cette réunion conduit à la sélection du planning offi-ciel pour le mois à venir. Les arrêts prévus dans lesdeux mois ne peuvent plus être remis en cause lors desremises à four ultérieures.Le planning retenu est ensuite envoyé aux centralesnucléaires. Chaque centrale peut alors engager la pré-paration des travaux liés aux arrêts.

SystèmeSystem

Problèmes structurelsStructural problems

Réunion hypothèsesPreparative meeting

Réunion décisionnelleDecision making

1. Fonctionnement du Groupe d'actualisation du programme d'entretien.

Dès lors, PLAFIGE fait office d'évaluateur de plan-nings : il permet d'identifier le planning le moins cherparmi une liste de plannings candidats. Il facilite donc laprise de décision entre les acteurs de la programmation.

... POUR MIEUX PROGRAMMER LES ARRETS

Le consensus obtenu autour du modèle PLAFIGE ouvrela porte à l'exploitation future de toute une gamme demodèles d'aide au placement des rechargementsnucléaires. Désormais, on peut en effet imaginer lacoexistence de plusieurs outils d'aide au placement, dans

la mesure où le coût des plannings proposés est calculéde façon systématique avec PLAFIGE, qui arbitrera tou-jours en fonction du même critère économique.

Conformément aux échéances prévues au lancementdu projet ORION, un second outil d'optimisation a étélivré au Centre national d'exploitation du système en mai96. Sa fonction est d'élaborer un planning optimisé desdates d'arrêts d'une sous-partie du parc nucléaire, enproposant pour la première fois une modélisation expli-cite des contraintes actuellement en vigueur sur le parc.

Département Méthodes d'Optimisation et de Simulation.

F a i t s m a r q u a n t s 1 9 9 6

MOYEN S DE PR 0 DU C.T.I ON:

OPTIMISATION DESPLANS DE CHARGEMENT

DU COMBUSTIBLEDES REP :

LOOP REPONDAUX BESOINS D'EDF

Répartir le combustible nucléaire dans leréacteur est un problème d'optimisationcomblnatolre complexe, résolu actuellementgrâce à l'expertise des ingénieurs d'EDF etsur la base du retour d'expérience.Cependant, la volonté de rentabiliser aumieux le combustible nucléaire rend cettequestion de plus en plus difficile. La DERpropose un logiciel d'optimisation capabled'apporter une aide précieuse aux ingénieurschargés des calculs de rechargement.

L'ENJEU :MIEUX RENTABILISER

LE COMBUSTIBLE NUCLEAIRE

Le poste d'achat du combustible nucléaire représenteune part importante du coût d'exploitation des réacteursnucléaires. Il est donc nécessaire de l'utiliser au mieux,c'est-à-dire être capable d'en retirer le maximum d'éner-gie, tout en maintenant des conditions de sûreté d'ex-ploitation exemplaires.

Des critères techniques tirés d'études économiquessont définis globalement sur l'ensemble du parc nucléairefrançais : taux d'enrichissement en uranium 235, fré-quence de remplacement du combustible, ... Le problèmeconsiste alors à satisfaire les contraintes de sûreténucléaire, réacteur par réacteur.

UN PROBLEME D'OPTIMISATIONCOMBINATOIRE TRES COMPLEXE

Le combustible utilisé dans les coeurs des réacteursnucléaires français se présente sous la forme d'assem-blages combustibles, un coeur de réacteur étant composéde 157 (ou de 193) assemblages. Chacun des 54 réacteursfrançais est arrêté régulièrement (tous les 12 ou 18 mois)pour décharger une partie des assemblages (les plususés, ceux ayant produit de l'énergie pendant près detrois ans), et pour charger du combustible neuf. Le pro-blème de la répartition des assemblages dans le coeur,permettant d'obtenir un plan de chargement satisfaisantaux contraintes de sûreté, se pose à chaque recharge-ment. La grande difficulté de ce problème tient aux faitssuivants :

- la nature et l'historique des assemblages combustiblessont très variables, ce qui modifie leurs paramètres phy-siques ; ainsi les données du problème sont chaque foisdifférentes. Sur la figure 1 qui représente la coupe d'unréacteur, chaque couleur correspond à du combustible de

nature différente, et chaque nombre traduit l'usureinégale des assemblages combustibles;- la combinatoire est gigantesque (l'espace de rechercheest de dimension 10");- la fonction d'évaluation permettant de calculer les para-mètres de sûreté est le résultat d'un calcul de distributionde puissance dans le réacteur, issu d'un code de neutro-nique. Cette étape est a priori fortement consommatriceen temps de calcul, compte tenu du nombre importantd'évaluations à réaliser.

L'EXPERIENCE ACTUELLE DES INGENIEURSPEUT S'AVERER INSUFFISANTE

Actuellement, la résolution de ce problème est fondéesur le retour d'expérience (plusieurs centaines de calculsde rechargement depuis une vingtaine d'années) et l'ex-pertise des ingénieurs qui, très rapidement à l'issuede quelques essais / erreurs, sont capables de trouverdes plans de chargement satisfaisant les contraintes desûreté.

L'évolution du mode de gestion de nos centrales, gui-dée par la volonté de rentabiliser au mieux le combus-tible et les installations nucléaires, entraîne une évolutiondu type de contraintes de sûreté applicables lors de ladéfinition d'un nouveau plan de chargement. Parexemple, l'allongement des campagnes (passage de 12 à18 mois pour les REP 1300) nécessite l'utilisation de poi-sons consommables dans le combustible; ce qui conduità considérer des contraintes de conception sur toute ladurée de la campagne, alors qu'avec les campagnes tra-ditionnelles (douze mois), seules des contraintes endébut de campagne sont considérées. Un autre exemple :la volonté d'allonger la durée de vie des cuves conduit àdéfinir des contraintes sur l'irradiation de celles-ci.

Aussi, dans certains cas, l'expérience des ingénieurspeut-elle devenir insuffisante pour résoudre ce problèmede plus en plus contraint.

F a i t s m a r q u a n t s 1 9 9 6

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1. Exemple de la complexité d'un plan de chargement, type REP 900 MW.Celle figure présente la distribution des irradiations ou usure des assemblages combustibles (râleurs indiquées en MWJ/t).

LOOP,ON LOGICIEL D'OPTIMISATION

SPECIFIQUE...

En collaboration avec l'université d'état de Caroline duNord aux Etats-Unis, la DER a développé un logicield'optimisation automatique de plans de chargement basésur la méthode du •• recuit simulé » : LOOP. Cette méthodestochastique, que la DER a améliorée de façon àrépondre aux exigences du contexte EDF. est particuliè-rement bien adaptée à notre problème. Elle permet eneffet d'obtenir de bonnes solutions, en explorant « seule-ment >• une dizaine de milliers de plans de chargement(parmi les f 0'" possibles). Sur la figure 2, on voit en effetcomment cette méthode permet de baisser le point chaud(.paramètre de sûreté étudié ici) sensiblement au-dessousde la limite de sûreté. De plus, cette méthode a l'avan-tage de pouvoir modéliser simplement un grand nombrede contraintes, ce qui rend le logiciel performant et évo-lutif.

... AUX RESULTATS SIGNIFICATIFS

LOOP a fait l'objet d'une première qualification sur plu-sieurs cas représentatifs couvrant l'ensemble des modes

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0 200 400 600 800 1000 1200Nombre de plans de chargement CTalués

Number of assessed loading patterns

2. Minimisation d'un critère de sûreté par la méthode du• recuit simulé » : évolution du pic de puissance (rapporté à savaleur limite) correpondant aux plans de chargement évaluésau cours du processus d'optimisation.

de gestion du parc nucléaire français (réacteurs 900 et1 300 mégawatts). Pour les différents cas étudiés. LOOPa permis d'obtenir automatiquement des plans de char-gement respectant les contraintes de sûreté (limites surles valeurs de points chauds). Ces résultats démontrent la

r a i l s in a i ci u a ri ! ,-

capacité de LOOP à traiter des cas difficiles (avecnotamment des contraintes de type limitation del'irradiation de la cuve), pour lesquelles les recherchesmanuelles n'avaient pas abouti dans tous les cas. Deplus, LOOP fournit une famille de solutions optimales,respectant les contraintes de sûreté, parmi lesquelles ilest possible de choisir, par exemple, celle qui correspondà une longueur de campagne maximale, donc à un gainéconomique (les premières études montrent que l'onpeut dégager des gains variant de 1 à 7 Jours EquivalentPleine Puissance selon les cas).

Enfin, la faisabilité de la prise en compte, dansLOOP, de l'ensemble des autres contraintes desûreté (telle que la marge d'antiréactivité) a été démon-trée.

L'AVENIR : LA QUALIFICATION ETL'INDUSTRIALISATION DE L'OUTIL

Suite à cette première étape de démonstration de lacapacité de LOOP à répondre aux besoins d'EDF, la qua-lification de l'outil va être étendue à des calculs de re-chargement réels dans une optique industrielle. Elle per-mettra d'apprécier l'apport de ce logiciel d'optimisationauprès des ingénieurs d'EDF chargés de résoudre ce typede problème, et éventuellement de conduire à la décisionde son industrialisation. Parallèlement, des travauxconcernant l'optimisation multi-objectif ont débuté, le butétant d'optimiser par rapport aux contraintes de sûreté etde maximiser les gains économiques simultanément.

Département Physique des Réacteurs.

LE COUPLAGE DESCODES THYC,

COCCINELLE ETCATHARE

APPLIQUE AU CALCULD'ACCIDENT

DE TYPE RUPTUREDE TUYAUTERIE

VAPEUR

La complexité croissante de la gestiondes combustibles nucléaires dans unecentrale REP nécessite aujourd'hui la priseen compte d'une modélisation plus fine quepar le passé.Le couplage des codes tridimensionnelsde neutronlque et thermohydraulique,COCCINELLE et THYC, et du code CATHAREde fonctionnement accidentel, permet demieux représenter les phénomènes locauxintervenant dans les accidentsdissymétriques comme la rupture detuyauterie vapeur.

NOUVEAUX PLANS DE CHARGEMENT,NOUVELLES ETUDES DE SURETE

Augmenter la disponibilité des centrales constitue unenjeu fort pour EDF. A chaque fois que des changementsmajeurs sont prévus sur la gestion des campagnes,comme leur allongement à 18 mois ou le passage durechargement par quart de coeur au tiers de coeur, desscénarios hypothétiques d'accidents sont simulés avecdes logiciels adaptés. Les résultats de ces calculs, pénali-sés de la valeur des incertitudes sur certains paramètres,sont ensuite comparés aux critères de sûreté associés àl'accident.

LE COUPLAGE DE CODES POUR MIEUXMODELISER LA PHYSIQUE DU COEUR

II est donc important de bien simuler les phénomènesphysiques se développant dans le cœur du réacteur.Jusqu'à présent, le logiciel CATHARE était utilisé pourcalculer le comportement de l'ensemble des circuits pri-maire et secondaire du réacteur en conditions de fonc-tionnement accidentel. Il comporte une représentationmonodimensionnelle du coeur qui peut être remplacéepar une représentation à trois dimensions, grâce au cou-plage des logiciels thermohydraulique THYC et neutro-nique COCCINELLE (figure 1).

F a i t s m a r q u a n t s 1 9 9 6

Conditions Ilimites coeur I

Température du fluider Température des crayons

Masse volumiquedu fluide

Distribution Lde puissancel

/ . Principe du couplage THYC-COCCINELLE-CATHARE.

LA MISE EN ŒUVRE DE CALCIUM POURFACILITER LE COUPLAGE DES CODES

INDUSTRIELS

Les couplages de codes, quels qu'ils soient, reposenttoujours sur le même principe : établir des liens entre ceslogiciels, considérés comme des boîtes noires munies depoints de connexion, qui symbolisent une variableéchangée avec l'extérieur. Le logiciel CALCIUM a étédéveloppé par la DER pour mettre en oeuvre ce modèlede couplage.

UNE APPLICATION AU CALCUL DUSCENARIO ACCIDENTEL HYPOTHETIQUE

DE RUPTURE DE TUYAUTERIE VAPEUR

Le cœur du réacteur étant à l'état d'arrêt à chaud, onconsidère dans cet accident qu'une rupture survient surle circuit secondaire de la tranche. Le relâchement impor-tant de vapeur provoque une dépressurisation rapide ducircuit secondaire, et un accroissement important del'énergie extraite du circuit primaire, à travers le généra-teur de vapeur. Dans le circuit primaire, la températurede l'eau baisse de manière très rapide, provoquant uneaugmentation de la puissance du réacteur (figure 2).Cette dernière ne se restabilise que sous les effets conju-gués des contre-réactions neutroniques, liées à la tempé-rature du combustible et au bore apporté par l'injectionde sécurité déclenchée en dessous d'un certain niveau depression.

La chute de température affecte plus la boucle primaireéchangeant avec la boucle secondaire rompue. La nappede température à l'entrée du coeur devient dissymé-trique. Elle nécessite une approche tridimensionnelle ducalcul neutronique en transitoire, dans la mesure où lechamp thermohydraulique conditionne l'évaluation despuissances tridimensionnelles par l'intermédiaire descontre-réactions neutroniques (figure 3).

Ainsi, le résultat principal du couplage présenté par lafigure 2 est l'apport d'une représentation tridimension-

100 150Temps (s)

Time (s)

200 250

CATHARE dépénalisé= * — THYC-CATHARE-COX•A- CATHARE-COX

2. Evolution de la puissance du coeur lors d'un accident derupture de tuyauterie vapeur. Comparaison d'une approchemonodimensionnelle CATHARE et d'une approche fondée surles couplages de CATHARE (ID), THYC (3D) et COCCINELLE(3D). Apport de la neutronique 3D.

537500 509 518 528ITempérature (°C)

3. Nappe de température fluide fournie par le couplage THYC-COCCINELLE-CATHARE-CALCIUM.

nelle de la neutronique (couplage COCCINELLE-CATHARE) comparé à la neutronique simplifiée deCATHARE seul, utilisé jusqu'à maintenant pour la simula-tion de l'accident standard de rupture de tuyauterievapeur. En effet, cette meilleure modélisation conduit àune évaluation nettement moins pénalisante des niveaux

F a i t s m a r q u a n t s 1 9 9 6

de puissance atteints (diminution d'un facteur deux envi-ron, hors incertitudes).

PERSPECTIVES

Compte tenu de ce résultat significatif, on prévoit demontrer l'apport de la modélisation fine de la thermo-hydraulique de THYC par l'étude d'un scénario aggravé

présentant des effets thermohydrauliques tridimension-nels plus marqués.

Les résultats des études de sûreté tiennent compte desincertitudes affectant les données de calcul et lesmodèles internes au code. De façon similaire, l'objectifest de déterminer à terme les incertitudes sur les résultatsdes calculs couplés.

Département Physique des Réacteurs.

ETUDETHERMOHYDRAULIQUE

DE L'ENCEINTEDE CONFINEMENT

EN SITUATIONPOST-ACCIDENTELLE

Parmi les gaz libérés dans l'enceinte deconfinement en cas d'accident grave,l'hydrogène et le monoxyde de carboneconstituent un risque potentiel pour la tenuede l'enceinte (déflagration, détonation).Une prédiction localement précise peutpermettre de prévoir les moyens à mettre enœuvre pour limiter ce risque, grâce à unedescription détaillée de la circulationdes gaz dans l'enceinte par un code dethermohydraulique modélisant finement lesécoulements tridimensionnels générés.Des études ont été engagées à l'aide dusystème logiciel ESTET-ASTRID. La difficultéréside dans la simulation de phénomènesinstationnalres allant de quelques heures àplusieurs jours.

LE RISQUE HYDROGENE...

L'un des scénarios étudiés conduisant à la fusion ducoeur est une perte de réfrigérant consécutive à unebrèche sur le circuit primaire avec perte de l'injection desécurité. Après une montée en pression et températuredue à la libération du fluide primaire dans l'enceinte, cetaccident induit une production importante d'hydrogènedue à l'oxydation des gaines du combustible par lavapeur d'eau, puis à l'interaction corium béton après rup-ture de la cuve. Cette production d'hydrogène s'accom-pagne également d'une production de monoxyde de car-bone et de dioxyde de carbone issue de la dégradationdu béton.

Les gaz combustibles ainsi produits dans l'enceinte(hydrogène et monoxyde de carbone) sont susceptiblesde créer des poches de concentration suffisantes pouratteindre des conditions de déflagration ou de détonationdans les volumes inférieurs ou dans le dôme. Les niveauxde concentration sont directement conditionnés par lanature de l'écoulement. Une prédiction suffisamment

précise de ces niveaux permet d'optimiser le positionne-ment d'appareils, des recombineurs ou des igniteurs,capables d'éliminer localement l'hydrogène. Pouranalyser finement ces phénomènes d'écoulement etde concentration et prédire d'éventuelles formationsde poches, la DER a engagé des études de thermo-hydraulique à l'aide du système logiciel ESTETASTRID.

...SIMULE DANS LE DOME

Une représentation géométrique détaillée de la totalitéd'une enceinte de réacteur 1 300 MW, incluant le dômeainsi que les volumes inférieurs, est à ce jour difficile,compte tenu de la complexité des phénomènes mis enjeu, mais également pour des raisons de définition demaillage des parties basses, très encombrées. Le risquehydrogène concerne prioritairement le volume corres-pondant au dôme, c'est-à-dire celui qui se trouve au-des-sus du plancher de service. Cependant, ce risque est

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conditionné par le dégagement d'espècesproduites dans les volumes inférieurs,où se situe notamment le puits de cuve.Les deux zones (dôme et volumes infé-rieurs) communiquent essentiellement parl'intermédiaire d'ouvertures se situantà la sortie des casemates des pompesprimaires, des générateurs de vapeur,du pressuriseur et par un espace annu-laire.

La solution mise en œuvre consiste à nereprésenter finement à l'aide d'ESTET-ASTRID que le dôme (figure 1), en tenantcompte des obstacles principaux (généra-teurs de vapeurs, pressuriseur, pont tour-nant, piscine). Le scénario des partiesbasses est prédit par le code MAAP (déve-loppé par l'EPRI), pour une brèche pri-maire de quatre pouces sans injection desécurité; ce qui permet d'obtenir desconditions d'entrée pour le calcul de lapartie supérieure. Ces conditions concer-nent les débits, les concentrations d'es-pèces, la température, la pression.

La particularité de tels écoulements estleur aspect instationnaire. En effet, mis àpart les premiers instants suivant l'acci-dent où les dégagements varient brutale-ment en quelques instants et où leseffets de compressibilité sont forts, lesdébits, la température et la pression desgaz varient ensuite très lentement aucours du temps.

L'étude réalisée est une simulation de24 heures suivant le moment de l'acci-dent, l'instant initial étant l'apparition dela brèche sur le circuit primaire. Ledégagement d'hydrogène a lieu plusieursheures après le début de l'accident.

RESULTATS

Cette étude a mis en évidence une cer-taine homogénéité de l'atmosphère dansle dôme en terme de concentration d'hy-drogène (figure 2). Cette homogénéité estessentiellement due aux importants mou-vements convectifs engendrés par lesforts débits des parties basses vers ledôme.

Cependant, ce résultat n'est pas généra-lisable, dans la mesure où il est tributaire

CorbeauBracket Pont

Revolving crane

Espace annulaireContainment annulus

Générateurde vapeurSteam generator

EnceinteContainment

PiscineReactor cavity

1. Maillage du volume supérieur du bâtiment réacteur(196 000 noeuds).

2. Champs de vitesse et de concentrationd'hydrogène sur un plan de coupe.

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du scénario retenu pour les volumes inférieurs modéli-sés par MAAP. En effet, des débits nettement moinsimportants, qui correspondraient à des tailles de brèchesplus petites, pourraient changer la nature de l'écoulementet faire apparaître d'éventuelles stratifications.

En termes de coût calcul, sur calculateur Cray C98, uneheure de modélisation nécessite 20 heures CPU, soit unmois CPU environ pour la simulation complète de24 heures.

PERSPECTIVES

Mises à part quelques spécificités, comme la prise encompte de la condensation de la vapeur d'eau enparoi, le logiciel ESTET-ASTRID n'a pratiquement pas étémodifié par rapport à sa version standard pour la modé-lisation de la thermohydraulique de l'enceinte de confi-nement.

Le but est à présent de mener des calculs paramé-triques pour mesurer l'influence de certains aspects,comme les débits, le modèle de condensation en paroi,l'influence du maillage ou des schémas numériques.

Malgré l'importance actuelle des coûts de calcul, ceci estenvisageable compte tenu des améliorations réalisées ouen cours dans le logiciel ESTET-ASTRID : méthodesnumériques autorisant de grands pas de temps, utilisationd'un maillage curviligne non orthogonal, version paral-lèle. Un temps de retour plus court de l'étude, en termesde temps de calcul, de l'ordre de dix jours CPU au lieude un mois paraît réaliste.

Par ailleurs, le gain obtenu par de telles améliorationspermettra d'envisager une représentation géométriquecomplète de l'enceinte, dôme et volumes inférieurs.Deux méthodes sont possibles : soit un maillagemonobloc de l'enceinte avec une seule applicationdu logiciel, soit plusieurs maillages représentant chacunun volume (dôme, casemate, puits de cuve, ...) enréalisant une application ESTET-ASTRID sur chacundes volumes; ces applications seraient ensuite coupléespar l'intermédiaire d'un coupleur de codes commeCALCIUM.

Laboratoire National d'Hydraulique.

DE L'DANS

IMULATIONNUMERIQUECHAUDIEREROBINETS-

VANNES

Les robinets-vannes à double étanchéltésont sensibles à l'effet chaudière.Une modélisation numérique originalecouplée thermomécanique permet de rendrecompte de l'ensemble des phénomènescomplexes observés lors des essais.

CONTEXTE

Les robinets-vannes à double étanchéité (vannes àsièges parallèles, vannes à coins flexibles) sont desorganes sensibles à l'effet chaudière (montée en pressiondu fluide contenu dans l'espace inter-opercules et ledôme corps-chapeau lors d'une montée en températurede l'environnement extérieur). Ce phénomène est sus-ceptible de se produire lors d'un accident thermodyna-mique interne à l'enceinte du bâtiment réacteur au coursduquel la température ambiante atteint 156°C et unepression de 5,6 bar, ou par conduction de la chaleur dansles tuyauteries adjacentes.

ENJEUX DE LA MODELISATIONET METHODOLOGIE

Les essais d'effet chaudière s'étant révélés coûteux etlongs car nécessitant des installations et des phases depréparation, de dépouillement et d'analyse importantes(enceinte KALI du CEA à Cadarache), l'intérêt de la simu-lation numérique s'est imposé rapidement.

Une méthodologie développée à la DER permet dedéterminer la pression maximale atteinte dans le fluidepour un transitoire thermique imposé. Elle a été validéeà partir des résultats expérimentaux disponibles pourtrois vannes. Cette méthodologie s'appuie sur des calculs

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thermiques et mécaniques par éléments finis suivis d'unpost-traitement analytique.• Les calculs thermiques menés avec le Code_Aster ontpour but de déterminer le champ de température dans lefluide où les termes de convection sont négligés. Laconvection peut être prise en compte par un calcul ther-mohydraulique avec le code N3S-Syrthès. Des calculssont en cours pour évaluer l'intérêt de la prise en comptede la convection.• Le calcul mécanique est effectué avec le Code_Aster(figure 1). Il s'agit de calculer le déplacement des noeudsinternes du maillage, représentant le corps du robinetpour en déduire la variation de volume interne de cecorps sous l'effet de la pression.• Le post-traitement consiste en une résolution d'équa-tions différentielles qui identifie la variation du volumed'eau sous l'effet de la dilatation, et la variation du

volume de l'intérieur du robinet sous l'effet de la pres-sion, afin de calculer la pression atteinte pour un char-gement thermique donné.

Le calcul mécanique permet de plus de déterminer leszones à fortes concentrations de contraintes dans le corpsde la vanne et de déterminer une pression critique, au-delà de laquelle le matériel risque d'être endommagé.

La simulation développée est basée sur un modèle quiintègre des éléments de contact à la liaison inter-élé-ments (corps et chapeau, opercule et corps). Ceci permetd'analyser l'étanchéité corps-chapeau. En effet, il arriveque la pression maximale calculée soit suffisante pourprovoquer un décollement du chapeau supérieur au seuilnécessaire pour qu'une fuite écrête cette pression. Il estimportant de déterminer cette valeur seuil car le niveaude contrainte atteint dans la structure étant alors plus basque prévu, le matériel peut garder son intégrité méca-nique.

REALISATIONS ET PERSPECTIVES

Cette modélisation fait la démonstration des possibili-tés actuelles de la simulation numérique. On ne travailleplus sur des modèles simplifiés, mais sur des modèles tri-dimensionnels qui représentent de manière réaliste lastructure. Par ailleurs, elle bénéficie des études précé-demment réalisées sur les jonctions boulonnées, pouranalyser l'étanchéité des liaisons corps-chapeau. Pourl'instant, cette analyse se fait en comparant le décolle-ment relatif des pièces en vis-à-vis à une valeur seuilissue de l'expérimentation. Des études en cours permet-tront d'affiner cette approche, en tenant compte de la dif-fusion poreuse dans le joint.

Neuf vannes ont été testées « numériquement ». Cesétudes permettent de fournir à l'Autorité de Sûreté desréponses sur le comportement de ces matériels en condi-tions accidentelles.

Des études du même type seront réalisées en 97, pourétudier l'effet chaudière provoqué, par la conductiondans les tuyauteries, dans les vannes situées hors du bâti-ment réacteur.

1. Contrainte de Von Mises et déformation d'une vanne sousl'effet de la pression interne. Calcul réalisé avec le Code_Aster.

Département Mécaniqueet Technologie des Composants.

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KM 0 Y E NS D E Î P RODUCTI ON

D E S SOLUTIONS POURLES BRAS MORTS

DES CIRCUITSAUXILIAIRES DES REP

L'apparition d'anomalies dans les zones lesplus sollicitées de certaines tuyauteries desREP préoccupe depuis une quinzained'années les concepteurs et les exploitantsdes tranches nucléaires. Liés à desphénomènes thermohydrauliques locauxcomplexes, ces incidents ont conduit EDF àchercher à en comprendre les origines, à enévaluer les conséquences sur l'intégrité descircuits et à trouver des solutionscorrectives tant au niveau de l'exploitationque de la conception. Les actions engagées àla DER comportent une partie théorique(modélisation numérique) et une partieexpérimentale (essais sur site et maquettes).

PROBLEMES EXISTANTS ET ENJEUX

L'étude de ces phénomènes thermohydrauliques s'arti-cule en fait autour de la résolution de deux affaires : l'af-faire « bras morts • et l'affaire « Farley-Tihange >.

L'affaire - bras morts • concerne tous les tronçons detuyauterie où peuvent apparaître des phénomènes dipha-siques (figure 1). L'exemple type est un tronçon enfer-mant un fluide froid à faible pression qui peut êtrechauffé par conduction à travers un organe d'isolement.Le maintien à une température élevée de l'organe d'iso-lement (vanne ou clapet) est assuré par un vortex créépar l'écoulement dans la branche primaire. Si le fluideprésent derrière l'organe d'isolement est à faible pres-sion, son échauffement par conduction peut suffire à levaporiser partiellement et à créer un milieu diphasiqueeau/vapeur. A l'interface de ces deux milieux vont s'ac-cumuler des composants chimiques actifs (acide borique,chlorures ...) qui vont localement corroder les élémentsde tuyauterie. Les dégradations, ainsi créées, entraînentdes coûts de maintenance et d'indisponibilité très élevés.

L'affaire • Farley-Tihange • (du nom de deux centralesayant subi des fissures traversantes dues à ce phéno-mène) concerne les tronçons susceptibles d'être soumis àune forte fatigue thermique due à l'interaction du vortexprimaire et d'une stratification thermique (figure 2). Lafuite d'un organe d'isolement, reliant deux conduitescontenant des fluides à des températures et des pressionsdifférentes, peut initier la présence d'un phénomène destratification thermique. Son interaction avec la pénétra-tion turbulente due à l'écoulement primaire va générerdes cyclages thermiques, pouvant atteindre en amplitudela différence de température entre le fluide chaud et lefluide froid. Dans quelques cas, les conséquences méca-niques de ce phénomène ont conduit à l'apparition de

fissures traversantes, sur les lignes auxiliaires du circuitprimaires. Les enjeux pour la sûreté et la maintenancesont donc très importants.

MOYENS MIS EN ŒUVRE

A la suite d'une fissure traversante survenue àDampierre en 1992 sur une tuyauterie auxiliaire du réac-teur nucléaire, des instrumentations spécifiques (mesures

Vortex primairePrimary vortex

Etat diphasiqueTwo-phase fluid

Echange par conductionà travers l'organe d'isolement

Heat conduction throughisolation valve

Fluide chaudHot fluid

Fluide froid à pression faible jCold fluid at low pressure '

/. Illustration du phénomène de bras mort.

Interaction vortex/stratification Echange par conductionInteraction vortex/stratified fluid /Heat conduction

Vortex primairePrimary vortex

Ite de l'organe d'isolementLeak of cold fluid

Fluide chaudHot fluid Fluide froid à forte pression

Cold fluid at high pressure

2. Illustration du phénomène • Farley-Tihange •

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H/D =

H/D = 7

Vitesse dans la ligne auxiliaireAuxiliary pipe velocity

Va = 0,023 m/s

H/D = 9

H/D = 7

Modèle k-ek-e model

Vitesse dans la branche primaireMain pipe velocity

Vm Vm = 9,2 ffls

3- Simulation numérique du vortex primaire.

H/D = 5

Modèle RMSRMS model

de températures, pressions et déformations) ont été misesen place sur les lignes auxiliaires du circuit primaire deBlayais 1, Cruas 4 (900 MW) et Golfech 2 (1 300 MW).Plusieurs objectifs étaient visés : mieux comprendre lesconditions d'apparition des phénomènes en cause, dres-ser une liste exhaustive des lignes pouvant être affectéespar ce problème et trouver des solutions palliatives pourl'exploitant.

Parallèlement, les progrès en calcul numérique (tempsde calcul, performances des codes thermohydrauliques)ont permis de mieux simuler les phénomènes en jeu. Cessimulations ont été validées par des résultats obtenus surmaquettes (CYTISE à EDF, RISTOURNE au CEA).

RESULTATS ET CONCLUSIONS

Les instrumentations sur site ont permis de recenserl'ensemble des lignes affectées et de mettre en évidenceles conditions d'apparition des phénomènes de brasmorts. Des prescriptions sur les geometries des lignesauxiliaires ont ainsi été définies pour les conceptionsfutures.

En outre, les conclusions tirées des données d'essaisont conduit à modifier certaines manoeuvres d'exploita-

tion : par exemple, lors des démarrages, les tronçonsinterclapets sont mis en équipression avec le circuit pri-maire afin d'éliminer la présence de vapeur.

La simulation de la fuite d'un organe d'isolement àBlayais 1 a permis de définir un débit de fuite critiquedans le cadre de l'affaire • Farley-Tihange -.

L'utilisation de modèles plus élaborés (modèle aux ten-sions de Reynolds dit • Rij-epsilon •) et la possibilité d'uti-liser des maillages à très grand nombre de noeuds (supé-rieur à un million) permettent de simuler le vortexprimaire (figure 3). Les améliorations en cours devraientautoriser la simulation de l'interaction de ce vortex avecun fluide stratifié.

Les connaissances acquises sur le sujet permettentdésormais à EDF de caractériser les situations de fonc-tionnement et les zones à risque. Les modifications d'ex-ploitation déduites de ces études et une nouvelle poli-tique de contrôles adoptée pour certains organesd'isolement devraient conduire à des économies de plu-sieurs millions de francs par tranche et par an.

Laboratoire National d'Hydraulique.Département Mécanique et Technologie des

Composants.Département Retour d'Expérience, Mesures, Essais.

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MOYEN S DE PR OÙ 0 C T I0 N:

VIBRATIONSDES PIQUAGES

DE TUYAUTERIE :LE SYSTEME

DE CONTROLEET D'ANALYSE ASPIQ

Sur les réseaux de tuyauteries de centralesnucléaires, certains piquages de systèmesImportants pour la sûreté se sont fissuréspar fatigue vibratoire. La DER a développé lesystème de contrôle et d'analyse ASPIQ pourconnaître l'état de leur endommagement etn'entreprendre que les modificationsstrictement nécessaires, ce qui réduit defaçon conséquente le nombre de piquages àreprendre. SI l'on considère l'ensemble despiquages potentiellement concernés, l'enjeuest Important et peut se traduire par uneéconomie de maintenance de plusieursdizaines de millions de francs.

POURQUOI CERTAINS PIQUAGES DETUYAUTERIES VIBRENT ET SE FISSURENT?

Certains éléments des réseaux de tuyauteries, tels queles pompes et les diaphragmes, créent dans le fluide desfluctuations de pression et de débit qui se propagentdans l'ensemble du circuit. Ces fluctuations mettent envibration la tuyauterie qui, à son tour, induit la vibrationles piquages (figure 1). De plus faible dimension que latuyauterie, ceux-ci subissent des contraintes plus impor-tantes engendrant ainsi un risque de fissuration.

L'expérience montre que les réalisations des piquagessont différentes d'une tranche à l'autre, conduisant ainsià des comportements vibratoires différents.

DIAGNOSTIQUER LES RISQUESDE FISSURATION PAR FATIGUE VIBRATOIRE

Le contrôle s'effectue en deux phases successives. Lapremière, qui correspond au contrôle actuel, consiste àmesurer la vitesse vibratoire des piquages : si elle estinférieure à 12 mm/s (valeur préconisée par le guide typede réception), le piquage est considéré comme sansrisque. Sinon, dans une seconde phase, une mesure devitesse relative du piquage par rapport à la tuyauterieprincipale permet de déterminer les contraintes. Iln'existe alors un risque de fissuration que si les niveauxde contrainte dépassent la limite d'endurance du maté-riau.

Cette deuxième phase permet de dédouaner unnombre significatif de piquages vis-à-vis du risque de fis-suration. Pour la réaliser, EDF a développé le systèmed'essais et d'analyse ASPIQ. Ce système est implanté surun PC portable intégrant la carte d'acquisition desmesures. L'utilisateur dispose d'une interface homme-machine, lui permettant de renseigner facilement les

/. Les piquages d'instrumentation sont de dimensionsnettement inférieures à celles de la tuyauterie principale.

paramètres d'acquisition, et de visualiser les résultats del'analyse. Le système réalise des mesures identiques à laprocédure de mesure actuellement en vigueur, en lescomplétant par la détermination des contraintes. Lafigure 2 présente un résultat de contrôle où sont resti-tuées les vitesses et les contraintes vibratoires sous laforme de spectres exprimés en valeur efficace.

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mm/s3,0 '2,4 •1,8-1,2 -0,6 -

jrj

Vitesse efficace transversaleTransversal RMS velocity

Iil

n A50 100 150

Cumulé (mm/s)Sum (mm/s)

108-6-4-20 - •

1,6.10

50 100 150

Fréquence (Hz)Frequency (Hz)

Contrainte de flexion, pied de piquageBending stress, nozzle

À50 100 150

Cumulé (Pa)Sum(Pa)

5.106 -4,2.10e -3,4.10,

e -I,62,6.10° -

1,8.106

10°50 100 150

Fréquence (Hz)Frequency (Hz)

2. Un résultat de contrôle où sont restituées les vitesses et lescontraintes vibratoires sous la forme de spectres exprimés envaleur efficace.

Respectsjlu critère de vitesse

^vibratoire

Non

Respect du^critère en contrainte^» >

vibratoire

Non

Oui

pPà modifier

dépiquage I

Etudede modification dupiquage (longueur,

3. Organigramme de contrôle et d'analyse des piquages detuyauterie.

sente figure 3- Le contrôle et l'étude sont réalisés pour uncoût identique à celui du seul contrôle en vitesse vibra-toire réalisé avec le système antérieur.

DEFINIRLES MODIFICATIONS NECESSAIRES

Pour les piquages ne vérifiant pas les critères, les résul-tats d'essais avec ASPIQ sont directement exploitablespour définir, à l'aide d'un code de calcul de vibrations detuyauteries appelé CIRCUS, les modifications envisa-geables du piquage : variations de longueur, d'épaisseur,du type de vanne montée sur le piquage ... L'ensemblede la démarche d'analyse avec le système de contrôleASPIQ et d'étude de modification avec CIRCUS est pré-

PERSPECTIVES

Les analyses fournissent également des éléments deretour d'expérience, tels que la raideur et l'amortissementde la liaison entre les piquages et la tuyauterie, quidevraient permettre à terme de mener les études à partirde la connaissance de la géométrie des piquages, enréduisant le recours aux essais.

Département Acoustique et Mécanique Vibratoire.

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MOYENS DE PRODUCT ONi

ENTRAINEMENT AVITESSE VARIABLE

DES POMPES DEREFROIDISSEMENT

DE GRAVELINES :UNE SOLUTION

QUALIFIEE

Pour accroître la disponibilité des circuits derefroidissement principaux de la centralenucléaire de Gravelines, dans certains castrès particuliers d'exploitation, quatregroupes motopompes ont été équipés en1996 de variateurs électroniques de vitesse.La solution technique utilisée a été étudiéeet qualifiée par la DER. Cette opération deconversion à la vitesse variable de moteursde forte puissance constitue une premièreréalisation de cette nature pour une centraleEDF, et confirme la maturité de cettetechnologie même pour des fortespuissances (3 M VA).

LA VARIATION ELECTRONIQUE DE VITESSEPOUR EVITER LE COLMATAGE DE FILTRES

Depuis plusieurs années, le fonctionnement despompes de circulation, alimentant les condenseurs duCentre Nucléaire de Production d'Electricité deGravelines, est perturbé au printemps par le colmatagedes systèmes de filtration par des cténaires, animauxmarins voisins des méduses. Afin de résoudre ce pro-blème, EDF a équipé de variateurs électroniques devitesse quatre de ces motopompes. En cas de forteconcentration de cténaires, ils procurent la possibilité demoduler le débit d'eau de refroidissement grâce à laréduction de la vitesse de rotation des pompes. Ceci per-met d'éviter le colmatage des filtres, tout en maintenantun débit de refroidissement suffisant pour le fonctionne-ment de la tranche.

DES SPECIFICATIONS TECHNIQUESDES VARIATEURS DE VITESSE....

Pour l'utilisation des pompes en vitesse variable, lecahier des charges de la modification imposait de conser-ver en l'état les moteurs asynchrones existants de2 800 kW à 6 600 V, tout en conservant la possibilitéd'une alimentation directe par le réseau interne de lacentrale; la disponibilité et la durée de vie des moteursne devait bien sûr pas être affectées par cette modifica-tion.

La DER a entrepris des études spécifiques pour analy-ser l'impact sur le moteur et le réseau interne de la cen-trale d'une alimentation par convertisseur électronique.Elle a été montré, en particulier, que les fronts raidesgénérés par le convertisseur n'avaient aucun effet néfastesur la tenue dans le temps du bobinage du moteur. Puis,

elle a établi les spécifications techniques des variateurs,de nature essentiellement fonctionnelle, ouvertes sur lesdiverses solutions technologiques de variateurs électro-niques de vitesse disponibles sur le marché.

... A LA QUALIFICATION PAR ESSAISEN LABORATOIRE ET SUR SITE

La solution technologique finalement retenue offretoutes les garanties nécessaires en terme de retour d'ex-périence et de la fiabilité du moteur. Elle repose sur unconvertisseur électronique de fréquence à thyristors, dotéd'une alimentation de « by-pass • permettant d'alimenterle moteur directement (figure 1). Cependant, devant lecaractère innovant de cette opération et les enjeux indus-triels de l'application, des essais de qualification ont étéréalisés sur le variateur tête de série, préalablement àl'installation sur site. Les principales performances duvariateur et le respect des spécifications techniques ontété vérifiées par des essais en grandeur réelle en labora-toire (figure 2). Ces essais ont permis au constructeurd'ajuster le contrôle-commande. Ils ont aussi démontré labonne aptitude du variateur à fonctionner à la vitesseminimum définie (54 % de la vitesse nominale), et à ali-menter à pleine puissance de façon satisfaisante unmoteur initialement conçu pour une alimentation à fré-quence fixe, grâce aux formes d'onde de tension et decourant quasi-sinusoïdales (figure 3).

La DER a ensuite effectué sur site des mesures et desessais complémentaires de réception sur chacun desquatre variateurs lors de leur mise en service. Desmesures complémentaires de compatibilité électromagné-tique ont montré la conformité des variateurs aux normesd'émission, conduite à basse fréquence et rayonnée en

F a i t .s m a r q u a n t s 1 9 9 (

Contacteurvariateur

Inputcontactor

Variateurélectronique

de vitesseAdjustable

speed drive

Disjoncteurd'alimentation (6,6 kV)Power supplycircuit breaker (6,6 kV)

Contacteurde by-passBy-passcontactor

Câbles d'alimentationPower supply cables

Moteur asynchrone de 2 800 kW, 6 600 V, 1 500 tr/mn2 800 kW, 6 600 V, 1 500 rpm induction motor

1. Schéma de principe de l'alimentation par variateurélectronique de vitesse des moteurs de 2 800 kWà 6 600 Vdespompes de circulation-refroidissement de la centrale deGravelines : une alimentation directe de by-passpermet deconserver le fonctionnement en vitesse fixe du moteur.

2. Vue du variateur de vitesse de 2 800 kW à 6 600 V destinéaux pompes de circulation-refroidissement de la centralenucléaire de Gravelines en cours d'essais de qualification auLaboratoire d'essais des machines tournantes de la DER (àgauche, le moteur d'axe vertical, et à droite, le convertisseurélectronique de fréquence).

haute fréquence. Le passage en charge d'un fonctionne-ment à vitesse fixe (alimentation directe des moteurs parle réseau interne) vers un fonctionnement en vitessevariable (alimentation des moteurs par le convertisseurélectronique) a été mis en service avec succès, de mêmeque le fonctionnement réciproque.

Tension moteur (kV)Motor voltage (kV)10 f

5 -

- 5 -

-100.20 0.21

Courant moteur (A)Motor current (A)

400 t

200-

0 -

-200-

0.22 0.23 0.24 0.25Temps (s) / Time (s)

-4000.20 0.21 0.22 0.23 0.24 0.25

Temps (s) / Time (s)

3. Allures de la tension et du courant d'alimentation dumoteur délivrés par le variateur électronique de vitesse . leurforme quasi sinusoïdale permet de convertir à la vitessevariable un moteur existant.

UNE TECHNOLOGIE UTILISABLE AUSSIPOUR LES APPLICATIONS INDUSTRIELLES

Cette opération réussie de conversion à la vitessevariable de quatre moteurs asynchrones de forte puis-sance, illustre la maturité des technologies de variationélectronique de vitesse en forte puissance. Cette techno-logie est aussi utilisable pour des applications indus-trielles (pompes, ventilateurs, compresseurs centrifuges)lors de la modernisation d'installations, tout comme pourdes installations neuves. Elle est en mesure d'apporter dela souplesse de fonctionnement, une réduction des coûtsde maintenance par la simplification des organes derégulation, une possibilité d'automatisation accrue etenfin des économies d'énergie, tous atouts utiles à l'ac-croissement des performances des procédés industrielsmodernes.

Département Machines Electriques.

F a i t s m a r q u a n t s 1 9 9 6

;: M.O.y.EN.Sv. .0 E PR 0 D U C T IP N :

ANALYSETRIDIMENSIONNELLE

DES NOUVELLESCONCEPTIONSDE TURBINES

A VAPEUR

L'évolution des moyens de calcul et desméthodes numériques en mécanique desfluides ouvre la voie à la conceptiontridimensionnelle des turbines à vapeur. Surun marché de l'énergie de plus en plusconcurrentiel, les constructeurs s'engagentainsi dans des méthodes qui paraissentmaintenant indispensables. EDF explore cestendances et les évalue dans l'optique duparc futur, de rénovations éventuelles et del'amélioration de l'exploitation du parcthermique classique ou nucléaire.

L'ANALYSE NUMERIQUE LOCALEDES ECOULEMENTS AU SERVICE

DE LA CONCEPTION DES COMPOSANTS...

L'accroissement de puissance des moyens de calcul,associé à l'arrivée à maturité de méthodes numériquesefficaces et de logiciels de traitement performants, don-nent accès à l'analyse détaillée des écoulements com-plexes dans les composants industriels tels que lesmachines tournantes. Le mouvement a démarré dans lesecteur aéronautique, avec le développement de codesspécialisés, les enjeux industriels étant en effet plus fortsque dans le secteur de la production d'électricité. Pourcelui-ci également, sur un marché de plus en plusconcurrentiel et avec des systèmes déjà très optimisés,l'analyse numérique détaillée devient à présent indispen-sable aux constructeurs pour se maintenir sur le marché.

... TELS QUE LES TURBINES A VAPEUR

En ce qui concerne les turbines à vapeur, de nombreuxdomaines peuvent être explorés afin d'améliorer leurconception mais aussi les méthodes d'exploitation et lamaintenance de ces machines.

Les méthodes de conception classiques, basées princi-palement sur des approches bidimensionnelles(approche méridienne), ont atteint, du fait de la com-plexité de l'écoulement, leurs limites intrinsèques dansl'amélioration des performances. En outre, elles ne per-mettent pas la détermination de critères objectifs concer-nant les limites de fonctionnement et le vieillissement dumatériel.

Parallèlement, l'analyse numérique tridimensionnellede l'écoulement est un outil efficace pour la conception,et se généralise à présent chez les constructeurs de tur-bines à vapeur.

En ce qui concerne EDF, dans l'optique du parc futurou de la rénovation du parc existant, il convient d'explo-

rer les tendances des constructeurs et d'être en mesured'évaluer les concepts, les éléments de conception et lesmodifications proposées; les outils numériques dont dis-pose la DER constituent une base adéquate pour la réali-sation de cet objectif. Ces outils participent également àl'élaboration de méthodes prédictives d'aide à l'exploita-tion et à la maintenance.

UN EXEMPLE DE CONCEPTIONTRIDIMENSIONNELLE :

LES AUBAGES CAMBRES

Au sein du corps haute pression des turbines à vapeur,du fait de la faible longueur des aubages, les écoule-ments secondaires en pied et bout d'aubages ont uneimportance relative plus grande. Les pertes engendréespar ces écoulements peuvent représenter un ou plusieurspoints de puissance dans un flux haute pression.

/. Ecoulement dans un distributeur haute pression cambré(calcul N3S-EF).

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Nombre de Mach relatifRelative Mach number

140

120

100

80

60

40

20

• / / ,

lignes soniquesSonic lines

2. Ecoulement dans undernier étage basse pression(calcul N3S-MUSCL etCALCIUM).

Les approches bidimensionnelles ne permettent pas oupeu d'amélioration. Seule une analyse réellement tridi-mensionnelle de l'écoulement est capable de prendre encompte la forme des aubages, d'en étudier les effets surles écoulements secondaires et, ce faisant, d'optimisercette forme. Il en résulte de nouvelles conceptions tellesles aubages cambrés (figure 1). Cette technique a ten-dance à se généraliser pour les corps haute pression deconception moderne. Elle présente aussi de l'intérêt pourles distributeurs basse pression : amélioration des perfor-mances de l'étage ainsi que de l'échappement de la tur-bine, amélioration du comportement du dernier étagepour des fonctionnements hors régime nominal (videdégradé). Notons que l'analyse du distributeur seul n'esttoutefois pas suffisante, l'ailette devant être adaptée audistributeur qui la précède.

UNE TECHNIQUE INCONTOURNABLE :LE COUPLAGE ROTOR / STATOR

Ainsi, une technique nécessaire à l'analyse de l'écoule-ment au sein des turbines à vapeur et, plus généralement,de tout type de turbomachines, est le calcul couplé dudistributeur et de l'ailette. Théoriquement, ce couplagedoit être instationnaire, l'écoulement l'étant par nature.Une approche basée sur l'échange de valeurs moyennéesen temps permet cependant d'accéder à des paramètresfondamentaux (les performances moyennes de l'étage enparticulier) et présente l'avantage d'un moindre coût.

Ce type de calcul permet des analyses fines de l'écou-lement dans un ou même plusieurs étages de turbine et,notamment, dans les derniers étages basse pression(figure 2). En effet, dans cette dernière partie de la tur-bine, l'écoulement est fortement tridimensionnel et trans-sonique. Ainsi, les performances du dernier étage bassepression sont-elles critiques et difficiles à dissocier decelles de l'échappement de la turbine, c'est-à-dire le dif-fuseur.

3. Ecoulement tridimensionnel au sein d'un diffuseur bassepression (calcul N3S-MUSCL et CALCIUM).

LE DIFFUSEUR : QUAND l'ANALYSETRIDIMENSIONNELLE DEVIENT

INDISPENSABLE

Le diffuseur d'échappement d'une turbine à vapeurpermet de récupérer une partie de l'énergie cinétiqueprésente à la sortie du dernier étage basse pression. Cetteénergie peut là aussi représenter plusieurs points depuissance d'un flux basse pression.

Des études tridimensionnelles ont permis d'analyserdifférentes configurations géométriques. Outre l'étude del'écoulement complexe dans le diffuseur (figure 3), ces

F a i t s m a r q u a n t s 1 9 9 6

Récupération (%)Efficiency (%)

60

50 -

40 -

30 -

20 -

10 -

( Géométrie 22nd design

Géométrie de référenceReference design •

Géométrie 33rd design

Géométrie de référence avec modélisation des brasReference design with arms modélisation

-10 -5 10Al (%)

4. Diagramme d'efficacité de différents diffuseurs en fonctionde l'écart relatif de longueur (en %) par rapport à la géométriede référence basée sur la longueur d'un demi-corps bassepression.

analyses ont permis de mettre en évidence l'influence dela longueur du diffuseur sur son efficacité, de différentesgeometries (figure 4) mais aussi l'impact d'élémentsinternes tels que les bras (figure 5) qui permettent derigidifier la structure. Notons ici l'importance de l'ap-proche non structurée de N3S (code de mécanique desfluides d'EDF), permettant la modélisation de geometriestrès complexes.

Une approche plus complète consistant à coupler ledernier étage basse pression et le diffuseur a enfin per-mis de mettre en évidence de nettes différences de récu-pération de pression entre ces deux approches (figure 4),soulignant au passage la nécessité de l'analyse globaledernier étage et du diffuseur.

5. Maillage des bras.

PERSPECTIVES

D'autres analyses de ce type ont débuté ou sont envi-sagées. Elles concernent les dispositifs d'étanchéité desturbines, qui posent des problèmes de maintenance(faut-il les changer lorsqu'ils sont usés ?), ou les rénova-tions envisagées des turbines les plus anciennes du parcnucléaire.

Plus ambitieux, mais réaliste grâce aux calculateursparallèles modernes, est le couplage instationnaire d'unétage complet de turbomachine.

Ainsi, le gisement de connaissance généré par de tellesanalyses numériques tridimensionnelles est loin d'êtretari; mais ce qui semble le plus important est le gain, quise chiffre en mégawatts ou en disponibilité, que doiventpermettre ces nouvelles méthodes de conception etd'analyse.

Département Machines.

m F a i t s m a r q u a n t s 1 9 9 6

M O Y E N S DE P R O D U C T I O N

DÉFAUTS EN SURFACEEXTERNE

DES LIAISONSBIMETALLIQUES :

LEUR ORIGINEEST MAINTENANT

IDENTIFIEE

Identifier l'origine des défauts des liaisonsbimétalliques des circuits primaires descentrales REP a été une priorité depuis 1990.Les études sur les zones de défauts et lesdifférentes hypothèses de mécanismes deformation de ceux-ci ont permis de conclureque les défauts sont dus à une corrosion detype atmosphérique. Ces études ontfortement contribué à mettre en œuvre lapolitique de maintenance et de surveillancedes Maisons bimétalliques du parc enexploitation.

DES DEFAUTS INCONNUS...

Les tuyauteries en acier inoxydable du circuit primairedes centrales REP sont reliées aux composants en acierferritique par des soudures bimétalliques (figure 1) dontle schéma de principe est représenté figure 2. Sur cer-taines de ces liaisons, des défauts ont été détectés en sur-face externe de la soudure, à proximité de l'interfaceavec l'acier ferritique. Ces défauts présentent des carac-

Soupapes de sûretéSafety valves

, •> Vannes de décharge' * Relief valves

Générateur de vapeurSteam generator

Expansion

Pompe primairePrimary coolant pump

Liaisons bimétalliques / Dissimilar welds

1. Localisation des soudures bimétalliques entre groscomposants et tuyauteries du circuit primaire.

téristiques morphologiques et métallurgiques particu-lières inconnues jusqu'alors. Depuis 1990, différentesactions ont été entreprises pour comprendre le(s) méca-nisme(s) de formation de ces défauts.

A cette fin, les composants affectés ont été expertisés;on a étudié leur structure métallurgique et évalué les ori-gines possibles des défauts : fissuration à chaud lors dusoudage, oxydation à chaud, corrosion sous contrainte,corrosion atmosphérique.

Anneau ou tuyauterie_en acier InoxydableSafe end or pipein stainless steel

Soudure (assemblage)Filling

Autre couchesOther layers

Première coucheFirst layer —

BeurrageButtering

Tubuluresen acier ferritiqueNozzlein ferritic steel

Cuve ou générateur de vapeurou pressuriseurReactor vessel or steam generatoror pressurizer

2. Schéma de principe en coupe d'une liaison bimétallique enacier inoxydable.

F a i l s m a r q u a n t s 1 9 9 6

a)

Acier ferritique

DE MIEUX EN MIEUX DECRITS

b)

Les défauts (figure 3) sont superficiels et se présententcomme des décohésions intergranulaires rempliesd'oxydes compacts; ils sont situés en première couche debeurrage et peuvent s'étendre jusqu'à l'interface avecl'acier ferritique (le beurrage est l'opération de dépôt parsoudage d'acier inoxydable sur l'acier ferritique). Ilsapparaissent dans des zones purement austénitiques,assez rares sur ce type de liaison, mais fortement sensi-bilisées à la corrosion intercristalline. Ils affectent égale-ment toutes les zones martensitiques rencontrées par ladécohésion, dont le "liséré martensitique" situé à l'inter-face entre le beurrage et l'acier ferritique. Les décohé-sions y débouchent dans des poches remplies d'oxydes.L'acier ferritique présente par ailleurs des piqûres au voi-sinage de l'interface. Certains défauts ont été constatésavant mise en service, d'autres peuvent apparaître enexploitation. La fréquence des contrôles effectués en ser-vice est telle que les dimensions qu'ils peuvent atteindrene pose pas de problème de sûreté pour les installations.

DIFFERENTES HYPOTHESES ELIMINEESSUCCESSIVEMENT...

Parmi les hypothèses de mécanisme à l'origine de cesdéfauts, la fissuration à chaud et l'oxydation en air ontrapidement pu être écartées grâce aux études de labora-toire : la fissuration à chaud peut affecter la soudure,mais ne peut pas se produire dans le beurrage; l'oxyda-tion à chaud en air n'affecte que l'acier ferritique. Lemécanisme de corrosion sous contrainte en milieuaqueux a également pu être éliminé, car l'acier ferritiqueprotège galvaniquement l'acier austénitique par ailleurssensible à ce type de corrosion lorsqu'il est seul. Lesdeux dernières hypothèses, corrosion atmosphérique etoxydation à chaud sous contrainte n'ont pu être départa-gées que récemment.

L'oxydation sous contrainte implique la conjonction detrois facteurs : une sensibilisation du matériau, la pré-

3. Examen (X500 )de défauts réels.décohésionsintergranulaires etpoches d'oxyde sedéveloppant dans deszones martensitiques(cornes de dilution etliséré à l'interface).

a) En surface externeaprès polissage.b) Sur coupetransversale aprèsattaque chimique aunital.

sence d'un milieu oxydant et un chargement mécanique.Etant donné que l'oxydation à chaud était suspectée dese produire pendant les traitements thermiques de déten-sionnement pratiqués lors de la fabrication, des essais enatmosphère représentative de four à gaz ont été effectuéset ont démontré qu'un tel mécanisme est possible. Enrevanche, la morphologie des défauts formés n'est pasidentique à celle des défauts observés en service. Deplus, ce phénomène n'a pas pu être reproduit lors d'es-sais simulant la fabrication, sur une maquette de tubulurereprésentative : la durée des traitements et le niveau desollicitation mécanique existant à chaud dans la liaisonsont trop faibles pour que le phénomène puisse se pro-duire. Cette hypothèse a donc été rejetée.

... POUR CONCLURE A UNE CORROSIONDE TYPE ATMOSPHERIQUE

Le mécanisme de corrosion atmosphérique à l'originedes défauts a été identifié par des essais sur des éprou-vettes, puis reproduit de façon très démonstrative enambiance naturelle, sur une maquette identique à celleutilisée pour les essais d'oxydation à chaud. L'ensembledes caractéristiques des défauts réels est retrouvé, y com-pris les présences particulières d'oxyde dans les défautset de poches d'oxyde à l'interface. Ce mécanisme estdonc celui définitivement retenu comme origine desdéfauts rencontrés sur les composants. La sensibilité à cetype de corrosion est due à une perte très locale de l'in-oxydabilité de l'acier, en raison de la déchromisation quiaccompagne la précipitation de carbures de chrome dansles joints de grains lors des traitements thermiques.

Cette identification du mécanisme de fissuration vapermettre à l'exploitant de définir la politique de mainte-nance et de surveillance des liaisons bimétalliques duparc en exploitation.

Département Etude des Matériaux.

F a i t s m a r q u a n t s 1 9 9 6

MOYEN S D E PB 0 D U C T I 0 N;

NE MANIERE SIMPLED'EVALUER LA

FRAGILISATIOND'UN COMPOSANT

EN SERVICE

Dans les centrales thermiques classiques ounucléaires, les conditions de service peuventinduire une dégradation des composants.Ainsi, par exemple, le vieillissementthermique ou l'Irradiation peuvent entraînerune fragilisation des matériaux. Pourdéterminer la durée de vie résiduelle descomposants affectés, il est souventnécessaire d'évaluer la température où larupture du matériau devient fragile(température de transition ductile/fragile).

EVALUER LA FRAGILISATION NECESSITEGENERALEMENT UNE GRANDE QUANTITE

DE MATIERE

Cette température de transition ductile/fragile est habi-tuellement mesurée à l'aide d'essais de resilience. Cesessais mécaniques consistent à déterminer l'énergienécessaire pour rompre des éprouvettes entaillées à dif-férentes températures. Cette évaluation nécessite unevingtaine d'éprouvettes, donc une quantité de matièrepeu compatible avec un prélèvement sur composant enservice.

GRACE AU PUNCH TEST, ON PEUT EVALUERCETTE FRAGILISATION AVEC DE PETITS

ECHANTILLONS....

A partir de travaux menés dans divers laboratoiresétrangers, nous avons mis en oeuvre une méthode d'éva-

luation de cette température de transition à partir depetits échantillons : le • punch test •. Cette méthodeconsiste à emboutir de petits disques (de 0,5 mm d'épais-seur et de 9 mm de diamètre) à différentes températures(figure 1). Au cours de l'essai, on mesure l'évolution dela charge en fonction du déplacement de la bille d'em-boutissage. L'aire sous la courbe charge / déplacementcorrespond à l'énergie nécessaire au percement deséchantillons. Portée en fonction de la température, cetteénergie permet de tracer une courbe de transition duc-tile / fragile analogue à celle de la resilience, mais déca-lée en température par rapport à cette dernière.

Sur des aciers utilisés dans les centrales thermiques,nous avons comparé les températures de transition déter-minées à l'aide du punch test et à l'aide d'essais de resi-lience. Les résultats obtenus montrent qu'il existe unebonne corrélation entre les températures de transitionissues de ces deux méthodes (figure 2). Une mesure

ChargeLoad

/. Schéma de principe de l'essai punch test et échantillons(avant et après essai).

Avant essaiBefore test

Après -essaiAfter test

EchantillonSpecimen

F a i t s m a r q u a n t s 1 9 9 6

effectuée à l'aide du punch test conduit à une évaluationà environ ± 20°C de la température de transition de laresilience.

... DES ECHANTILLONS SI PETITS QUE L'ONPEUT LES PRELEVER SUR LES

COMPOSANTS

Le punch test a été développé pour déterminer la tem-pérature de transition ductile / fragile de composants decentrales thermiques. Dans ces centrales, il pourra servirà évaluer l'état de composants anciens, dont on neconnaît pas les caractéristiques actuelles de résistance àla rupture. Le prélèvement d'échantillons ne devrait pasposer de problèmes particuliers. Des appareillages adap-tés existent et ont déjà été utilisés pour prélever de petitséchantillons à fin d'essais en laboratoire (par exemple enFrance sur des coudes moulés du circuit primaire desréacteurs nucléaires, ou à l'étranger sur des cuves deréacteurs).

Le punch test pourrait également recevoir des applica-tions dans d'autres secteurs où des composants métal-

-180 -175 -170 -165 -160 -155 -150 -145

2. Relation entre les températures de transition mesurées enresilience et à l'aide du punch test.

liques, soumis à des environnements sévères, subissentdes phénomènes de vieillissement (centrales nucléaires,industries chimiques, ...).

Département Etude des Matériaux.

L E DIMENSIONNEMENTPROBABILISTE

DES COEFFICIENTS DESECURITE :

UN COMPLEMENTAUX APPROCHES

DETERMINISTESPOUR LA CODIFICATION

Pour répondre à un besoin de codificationdes règles de surveillance en exploitationdes matériels mécaniques des centralesnucléaires, EDF et FRAMATOME ont engagéune réflexion sur les marges à retenir pourles études de nocivité des défautsdécouverts en exploitation.Dans une approche purement déterministe, iln'y a pas de méthode pour mesurer l'impactdu choix des valeurs des coefficients desécurité sur le risque de défaillance d'unestructure. Ce choix est généralement basésur l'expérience. C'est pourquoi uneapproche probablllste de dimensionnement aété développée et expérimentée sur destuyauteries de centrales nucléaires.

UN LIEN A ETABLIR ENTRE DETERMINISTEET PROBABILISTE

Les analyses mécaniques de dimensionnement desstructures industrielles (constructions aéronautiques,marines et offshore, centrales de production d'électricité)sont traditionnellement fondées sur une démarche régle-mentaire et codifiée strictement déterministe. Pourprendre en considération les incertitudes, et pour se pré-

munir contre un risque de défaillance en service, descoefficients de sécurité sont introduits dans les calculssur des variables caractéristiques de ces structures. Ilsproduisent une estimation de type > tout ou rien » ( i.e. lastructure est défaillante ou non défaillante) qui traduitune certaine confiance que l'on peut avoir dans le bondimensionnement de cette structure, mais sans en mesu-rer réellement la fiabilité.

F a i t s m a r q u a n t s 1 9 9 6

Dans une approche probabiliste, les incertitudes sur lesvariables caractéristiques (chargements, caractéristiquesmécaniques et géométriques, défauts...) sont clairementprises en compte et décrites sous forme de variables aléa-toires par leur distribution de probabilité. Une fois intro-duites dans les équations d'état limite, ces variables aléa-toires permettent d'estimer les probabilités de ruine deces structures.

L'originalité de la méthode de dimensionnementconsiste alors à traiter le déterministe comme un cas par-ticulier d'une formulation probabiliste plus générale :pour formaliser la liaison implicite qui peut exister entrecoefficients de sécurité et probabilité de défaillance, ilsuffit de concentrer tout le poids probabiliste de la dis-persion d'une variable aléatoire sur la valeur de calculutilisée dans l'analyse déterministe.

Coefficient de sécuritéSafety factor

1,80 A

1,60-

1,40

1,20

1,00 -

0,80 -

0,6010"1 1 0 " 2 1 0 " 3 1 0 " 4 1 0 5 1 0 " 6 1 0 7 1 0 8 1 0 " 9

Probabilité de défaillance / Risk of failure

/. Relation obtenue entre coefficients de sécurité et probabilitéde ruine de la tuyauterie.

UN EXEMPLE DE COEFFICIENTSDIMENSIONNES...

L'exemple présenté ici correspond à une tuyauterie fis-surée analysée par la mécanique de la rupture : il s'agitde l'étude des risques d'initiation et d'instabilité de ladéchirure ainsi que du risque de ruine plastique. L'étudeprobabiliste permet tout d'abord d'identifier les para-mètres les plus sensibles pour lesquels des coefficientsde sécurité à appliquer vont être dimensionnés. Il s'agitde la taille du défaut a, de la contrainte o, de la limited'élasticité o, et de l'énergie d'amorçage J02. Sur lafigure 1 apparaît la relation obtenue entre les quatrecoefficients de sécurité et la probabilité de ruine de latuyauterie : un jeu de coefficients de sécurité définit doncune probabilité de défaillance qu'il est possible d'estimerpar une méthode probabiliste.

Pour un niveau de probabilité donné, le choix du jeude coefficients n'est cependant pas unique car noussommes en présence d'une équation (l'équation d'étatlimite) à quatre inconnues (les quatre coefficients desécurité). Les coefficients présentés sur la figure 1 ont étécalculés pour les valeurs des paramètres conduisant à laruine la plus probable de la tuyauterie. Il s'agit donc d'unoptimum pour une situation donnée : un optimum local.

... ET OPTIMISES...

Si l'on cherche maintenant à obtenir une fiabilitéhomogène pour un ensemble de situations et de modesde ruines couverts par la codification (différents types destructure, différents chargements, ...), il faut procéder àune optimisation plus globale de ces coefficients.

La démarche d'optimisation fait appel d'une part à unesérie d'analyses de fiabilité, et d'autre part à une minimi-sation fonctionnelle, avec ou sans contrainte, répondantau problème du choix optimal de coefficients. Pour maî-triser ces techniques, un partenariat a été engagé avec leDépartement Science de la construction de l'université

o 4 -

Niveau A (Probabilité :Level A (Risk: lu"6)

Niveau C (Probabilité : 10 4)Level C (Risk : 104)

Niveau D (Probabilité : 10 *)Level D (Risk : 102)

i 1-

•* 200 225 240 250 270 275 300 325 35CContrainte moyenne (MPa) / Mean loading (MPa)

—s— Fiabilité après calibrage / Reliability after calibration•i.•-•- Fiabilité cible / Target of reliability

2. Fiabilité homogène obtenue avec des coefficients optimiséspour différentes catégories de situations et différents niveauxde chargements.Le niveau A est relatif à des situations normales defonctionnement, les niveaux C et D à des situationsaccidentelles.

d'Aalborg (Danemark), qui dispose d'une expériencereconnue internationalement dans ce domaine. La figure2 présente le résultat d'une telle optimisation obtenue surl'exemple de la tuyauterie fissurée : les coefficients per-mettent d'obtenir un niveau de fiabilité homogène,proche des valeurs cibles choisies, pour les différentsmodes de ruines et niveaux de chargements envisagés.

... POUR UNE CODIFICATION

Des premiers jeux de coefficients issus de cette métho-dologie viennent ainsi d'être proposés dans le cadre dela codification des règles de surveillance en exploitationdes matériels, où sont fixées les pratiques en exploita-tion.

Département Retour d'Expérience, Mesures, Essais.

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MODÉLISATIONDES GÉOMATÉRIAUXEN THERMO-HYDRO-

MÉCANIQUECOUPLÉE

Les études de nouveaux projets, tels que laconception des sites de stockage de déchetsradioactifs en formation géologique, ainsique l'analyse de la durabllité d'ouvrages degénie civil des installations de productiond'EDF, passent par la mise en œuvre desimulations numériques fines.Une modélisation thermo-hydro-mécanlque couplée pour les milieux saturésa été implantée dans le Code_Aster,et les premières applicationsont montré l'apport essentiel de ia priseen compte des couplages dans la prévisiondes phénomènes.

Les études sur l'enfouissement des déchets radioactifsen formation géologique profonde ont fait apparaître denouveaux besoins en matière de modélisation du com-portement des barrières de confinement (conteneurs enbéton, matériaux de remplissage à base d'argile, forma-tions géologiques).

En particulier, la démonstration de sûreté d'un site destockage passe par l'évaluation des perturbations dans laroche d'accueil. A l'échelle du massif, on cherche à savoircomment la production de chaleur des déchets perturbele milieu souterrain, constitué d'une argile peu per-méable, et notamment les écoulements hydrogéolo-giques.

Les géomatériaux (comme les sols, les roches, lesouvrages en béton, ...) sont des milieux poreux où unfluide circule dans le squelette solide. Dans une certainegamme d'applications, on peut considérer que le milieuest biphasique (c'est-à-dire saturé), et donc comme lasuperposition d'un milieu solide (le squelette granulaire)et d'un milieu fluide interstitiel en interaction.

LES INGRÉDIENTSDE LA MODÉLISATION

Les phénomènes sont modélisés par des lois de conser-vation : l'équilibre mécanique (quasi statique), et deuxéquations d'évolution temporelle exprimant le bilan d'en-tropie (équation de la chaleur) et la conservation demasse fluide.

Leurs expressions font apparaître les couplages entreles champs fonctions des variables d'état : déplacements,températures du milieu poreux et pressions du fluide.

Les dissipations sont décrites par les équations deconduction d'une part (Fourier pour la chaleur et Darcypour le fluide). La relation de comportement thermo-

hydro-mécanique exprime la loi d'état avec les six cou-plages entre les déformations, gradients thermiques ethydrostatiques, d'une part, et les contraintes, l'entropie etles flux de masse fluide, d'autre part.

LA MISE EN ŒUVRE NUMÉRIQUE

Ces équations non linéaires d'évolution sont résoluessimultanément, au sein du Code_Aster. Ce choix permetentre autres d'étudier dans la même simulation l'interac-tion entre le géomatériau et les autres structures. La vali-dation a employé une solution de référence unidimen-sionnelle ainsi que des comparaisons avec des logicielsspécialisés.

LES EFFETSDES COUPLAGES

On s'intéresse à un stockage chauffant de section rec-tangulaire situé au centre d'un massif argileux (figure 1).Le chargement est un flux volumique de chaleur (expo-nentielle décroissante au cours du temps) dans lestockage.

Les surpressions interstitielles observées sont crééespar la dilatation différentielle de l'eau par rapport ausquelette. Ces surpressions sont d'autant plus impor-tantes qu'elles disparaissent lentement, du fait de la faibleperméabilité de l'argile.

On observe un paroxysme hydraulique sensiblement àla même période que le paroxysme thermique au centredu stockage. La zone de plus forte pression migre vers lapériphérie du stockage.

Ceci s'explique par le refroidissement qui s'amorcedans le stockage (décroissance de la pression intersti-

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100 ans 500 ans7. Modélisation en champ lointain en thermo-poro-élasticitéd'un stockage souterrain de déchets nucléaires chauffanthypothétique, de section rectangulaire de 500 m x 60 m, à500 m de profondeur dans un massif argileux. Isovaleurs detempérature (en haut), depression de l'eau interstitielle (aumilieu), de déplacement vertical (en bas), à deux dates •100 ans (correspondant au paroxysme thermique) et à 500 ans(après diffusion des pressions et début de refroidissement).Résultats obtenus par le Code_Aster, version 3-

tielle), alors que réchauffement se poursuit autour etcontinue à provoquer de nouvelles surpressions.

Ces résultats illustrent l'apport de l'approche coupléepour décrire les évolutions non concomitantes des fluxthermiques et hydrauliques, et prévoir leur impact sur les

tassements immédiats et différés des ouvrages, inacces-sibles autrement.

Département Mécanique et Technologiedes Composants.

Département Mécanique et Modèles Numériques.

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MO YENS D E PR0 D U C T 0 N

U N E CHARTEDE QUALITE

POUR L'ALIMENTATIONDES SITES ISOLES

AU MOYEN D'ENERGIESRENOUVELABLES

•.'electrification des sites isolés,spécialement dans les pays endéveloppement, peut être réalisée pardes systèmes autonomes utilisantles énergies renouvelables photovoltaïqueset éollenne.Pour garantir aux utilisateurs un bon niveaude qualité, ces systèmes doivent faire l'objetde spécifications techniques aussi détailléesque celles qui concernent les réseaux. C'estl'objet du travail réalisé par la DER sur lacharte de qualité.

UNE CHARTE DE QUALITE,QUEL INTERET ?

En 1994, les professionnels français avaient rédigé unecharte de qualité pour garantir à l'utilisateur françaisd'une installation photovoltaïque (figure 1), une bonnequalité de réalisation. Suite à la signature des accordsEDF/Ademe de 1993, des groupes de travail rassemblantdes représentants de la profession, l'Ademe et EDF ont

1. Une installation photovoltaïque.

été constitués pour transformer le document en une sériede spécifications techniques concernant les systèmesphotovoltaïques et éoliens et l'ensemble de leurs compo-sants.

Le nombre total des sites recensés, en métropole etdans les DOM, ne dépasse pas quelques milliers. Mais lesecteur photovoltaïque français vise également tous lessites isolés non electrifies dans le monde, spécialementdans les zones rurales des pays en développement. Lenombre de personnes concernées est estimé entre deuxet deux milliards et demi. L'enjeu, tant économique que

sociologique, est donc considérable. L'une des difficultésde ce marché réside dans les cahiers des charges variéset contraignants des donneurs d'ordres. La charte de qua-lité pourrait être un facteur d'harmonisation de cescahiers des charges.

Le besoin de spécifications est évident pour porterl'offre française à l'exportation. C'est l'enjeu des travauxsur la charte de qualité qui devient mi-97 les « directivesgénérales de conception, de réalisation et d'exploitationdes systèmes d'électrification des sites isolés par généra-teurs autonomes utilisant des énergies renouvelables >.

QUEL CONTENU ?

La première série des documents qui constituent lacharte de qualité, concerne le cadre contractuel et lefonctionnement des systèmes, et plus précisément :- les aspects commercial et contractuel (identification desacteurs et définition des responsabilités);- la typologie des installations (classification des typesd'installations);- la gestion de l'énergie (instrumentation des installa-tions);- le dimensionnement des installations;- la protection des biens et des personnes;- l'exploitation et la maintenance;- les règles de qualité pour la réalisation d'une installa-tion photovoltaïque ou éolienne pour site isolé.

Ces documents prévoient une gamme de systèmes cor-respondant à la fois à des configurations et à des servicesrendus différents, les besoins des utilisateurs variant eneffet beaucoup suivant le lieu d'installation (Francemétropolitaine, DOM ou pays en développement).

La deuxième série de spécifications, en préparation,concerne les composants des systèmes : générateur pho-tovoltaïque, générateur éolien, groupe de secours, stoc-kage d'énergie, intégration au bâti.

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Ces dossiers doivent être complétés par des spécifica-tions d'essais qui permettront de qualifier les composantstant du point de vue des essais fonctionnels que du pointde vue des essais d'environnement. Une note résumantles essais d'environnement que sont susceptibles de subirles divers matériels est d'ores et déjà disponible. Elle ser-vira à l'adaptation des spécifications d'essais à l'environ-nement des installations.

QUELLE UTILISATION ?

Une association des professionnels sous l'égide del'Ademe est en cours de création. Elle est chargée de lagestion de la charte de qualité, de sa diffusion et de lapromotion d'une marque de qualité. EDF s'associe, bien

entendu, aux travaux de cette association et a notammentpour responsabilité de faire évoluer les textes des spéci-fications quand le besoin s'en fera sentir.

La charte de qualité doit permettre d'offrir une basecommune aux donneurs d'ordres et maîtres d'ouvrage,pour rédiger leurs appels d'offres, et aux professionnelspour y répondre. Elle doit également permettre de don-ner aux utilisateurs la garantie d'un niveau de serviceprédéfini. Enfin, pour que les spécifications de la chartede qualité soient reconnues au plan international, il estprévu de proposer ces documents aux organismes inter-nationaux de normalisation.

Département Postes et Lignes.

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ROTECTION DE L'ENVIRONNEMENT

Batteries pour véhicule électrique : plomb ou nickel-cadmium ?

Modéliser les écoulements réactifs atmosphériques

ElChloration des circuits de refroidissement de Dampierre pour éliminer les amibes pathogènes

Le traitement in situ des transformateurs contenant des PCB

ElSteeple-chase devant Dunkerque : la DER aide le gazoduc norvégien à franchir les bancs de sable

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P R 0 T E C T I ON D E LV E N V I R 0 N N E M E NT

BATTERIESPOUR VEHICULE

ELECTRIQUE :PLOMB OU NICKEL-

CADMIUM?

Les voitures électriques représentent unesolution intéressante au problème de lapollution atmosphérique en ville car elles necausent aucune émission directe dansl'environnement. Néanmoins, elles fontl'objet d'une polémique sur deux points : lasource primaire d'énergie, ainsi que lesbatteries et les métaux lourds qu'ellescontiennent. Une étude globale d'impactenvironnemental a permis de mieux connaîtrele cycle de vie des batteries, depuis leurfabrication jusqu'à leur traitementen fin de vie.

QU'EST-CE-QU'UNE ANALYSEDU CYCLE DE VIE ?

L'analyse du cycle de vie est une méthode d'évaluationdes impacts sur l'environnement d'un système, compre-nant l'ensemble des activités associées à un produit ou àun service, depuis l'extraction des matières premièresjusqu'à l'élimination des déchets. Pour déterminer cesimpacts, l'analyse du cycle de vie repose sur un bilanmatières-énergie du système étudié. Cette méthode estnormalisée depuis avril 1996 (norme AFNOR X30-30O).

L'une des premières étapes consiste à choisir une unitéfonctionnelle à laquelle tous les résultats se référeront.En effet, on ne fait pas l'analyse du cycle de vie d'un pro-duit mais celle de la fonction que remplit ce produit. Ici,les batteries ont pour fonction de permettre à uneRenault Clio de parcourir 80 000 km. Cela nécessite l'uti-lisation d'un seul jeu de batteries nickel-cadmium ou detrois jeux de batteries au plomb.

On aurait pu s'intéresser à une autre voiture et à unautre kilométrage, mais la définition de l'unité fonction-nelle exige des choix précis : une analyse du cycle de viedes batteries d'une Peugeot 106 parcourant 95 000 km estpossible ... mais c'est un autre problème.

Les étapes prises en compte par l'analyse du cycle devie couvrent l'extraction et l'élaboration des matières pre-mières nécessaires, la fabrication des batteries, laconsommation d'électricité pour les phases de recharge,le traitement des batteries en fin de vie et toutes lesphases de transport nécessaires à chaque étape.

Les données nécessaires sont issues de la bibliographieet d'informations collectées sur site auprès des indus-triels.

Une phase d'inventaire consiste à faire un bilanmatières-énergie tout au long du cycle de vie des batte-ries, c'est-à-dire à comptabiliser tous les « intrants et sor-tants • du système : consommations d'énergie, de ma-

/. Batteries au plomb ou au nickel-cadmium :leur impact sur l'environnement est évaluépar une approche globale, faisant appel à l'analysedu cycle de vie.

tières ou d'eau et rejets dans l'air, l'eau, le sol, et sousforme de déchets solides. Vient ensuite la phase d'éva-luation des impacts, qui consiste à traduire les flux del'inventaire dans l'environnement en termes d'impacts surles différents milieux.

F a i t s m a r q u a n t s 1 9 9 6

QUELQUES RESULTATS

L'avantage de la méthode est de proposer une liste desimpacts à prendre en compte : consommation d'énergieprimaire, contribution à l'effet de serre, acidification del'atmosphère, eutrophisation des eaux, brouillard d'étéphotochimique, épuisement des ressources, toxicité desmétaux lourds et enfin déchets solides radioactifs et nonradioactifs. Appliquées aux batteries de véhicules élec-triques, les études d'analyse du cycle de vie ont permisde repérer les points faibles de chaque technologie et, enparticulier, les étapes du cycle de vie responsables dechaque impact. On peut citer quelques résultats pour lesimpacts les plus classiques.

Impact énergétique : l'énergie primaire consommée surl'ensemble du cycle de vie est quasi équivalente pour lesdeux types de batteries (270 GJ pour le Ni-Cd et 280 GJpour le plomb), mais elle se répartit de manière un peudifférente sur le cycle de vie. En effet, pour les batteriesau plomb, 93 % de l'énergie est utilisée pour lesrecharges contre 74 % pour les batteries Ni-Cd. Ceci estdû à la fois aux performances plus faibles des batteriesau plomb, mais aussi au fait que la fabrication de l'acieret du nickel nécessaires aux batteries Ni-Cd est très éner-givore.

Effet de serre : les batteries au plomb ont un impact surl'effet de serre supérieur d'environ 20 % à celui des bat-teries Ni-Cd. Pour les deux technologies, la consomma-tion d'électricité durant les phases de recharge induit unpeu plus de 50 % des rejets totaux de CCh.

Acidification (pluies acides) : les batteries Ni-Cd ont unimpact quatre fois plus fort sur l'acidification de l'atmo-sphère que les batteries au plomb. Ceci est dû aux impor-tants rejets de dioxyde de soufre lors de l'élaboration dela matte de nickel, une des matières premières pour lafabrication des batteries Ni-Cd.

Déchets solides : les batteries au plomb génèrent envi-ron 70 % de déchets solides non radioactifs de plus queles batteries Ni-Cd. Ceci est dû surtout à la quantité plusimportante de déchets générés lors du traitement en finde vie des batteries au plomb, mais aussi à leur plusgrande consommation d'énergie lors de la phase d'utili-sation. Pour les déchets radioactifs également, l'impactdes batteries au plomb est supérieur d'environ 20 % àcelui des batteries Ni-Cd.

Les déchets solides proviennent principalement de laphase d'utilisation des batteries : pour les batteries Ni-Cd,environ 80 % de l'ensemble des déchets proviennent decette phase, le reste venant principalement de la phasede fabrication. Dans le cas des batteries au plomb, c'est63 % des déchets non radioactifs et 94 % des déchetsradioactifs qui lui sont imputables.

CONCLUSIONS

Compte tenu des hypothèses retenues, le bilan globalsemble favorable aux batteries Ni-Cd. Cependant, il fautremarquer que les résultats de cette analyse restent par-ticulièrement sensibles aux hypothèses sur les perfor-mances des batteries en termes de durée de vie (nombrede cycles) et du nombre de kilomètres parcourus parcycle. En effet, le nombre de cycles de charge-déchargetrois fois plus faible autorisé par la batterie au plombgrève fortement son bilan, et une augmentation dunombre de cycles autorisé par cette technologie pourraitchanger le sens des conclusions.

Département Systèmes Energétiques.

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P R 0 T E C T I 0 N D E t ':E N V I R O N N E M E N T

MoDELISERLES ECOULEMENTS

REACTIFSATMOSPHERIQUES

La première version opérationnelle dulogiciel de simulation de la pollutionatmosphérique AZUR, développéconjointement par l'Institut Français duPétrole, le Laboratoire Interunlversltaire desSystèmes Atmosphériques et la DER, a étémise au point et testée avec succès sur deuxépisodes de pollution en région parisienne.

La pollution photochimique régionale, qui affecte lesbassins urbains et leur voisinage, préoccupe de plus enplus l'opinion et les pouvoirs publics. Elle est très étroi-tement liée à l'habitat, au transport, à l'industrie, doncaux modes de production et de consommation de l'éner-gie. Ainsi, directement ou indirectement, EDF est concer-née par ce problème. Depuis 1993, un programmed'étude a été préparé à la DER, puis structuré en 1995dans le cadre d'une coopération avec l'Institut Françaisdu Pétrole et le Laboratoire Interuniversitaire desSystèmes Atmosphériques, en vue de développer un sys-tème logiciel de simulation d'épisodes de pollution,dénommé AZUR.

LE SYSTEME LOGICIEL AZUR

Une modélisation générale de la pollution atmosphé-rique met en jeu plusieurs centaines d'espèces chimiqueset quelques milliers de réactions. Les données physiques

nécessaires à la bonne description de la météorologie, lesdonnées géographiques, économiques et chimiquesconcernant les émissions des polluants primaires ne sontpas moins nombreuses. Néanmoins, pour des raisons decoût et d'efficacité de la simulation, il est souhaitable,dans la pratique, de ne considérer que les paramètresvéritablement influents dans une situation de pollutiondonnée.

Le système logiciel AZUR est donc conçu comme unsystème adaptatif permettant une mise en forme de lamodélisation en fonction des besoins de l'étude. A ceteffet, il comporte une version dite de base correspondantà une modélisation de validité générale, précise maislourde, susceptible d'accueillir simplement les enrichisse-ments de la modélisation. Il comporte également des ver-sions dites dérivées qui sont optimisées pour perdre leminimum d'information utile par rapport à la version debase, pour des conditions d'emploi données (spécificitéschimiques et physiques, moyens et coût de calcul).

Météo grande échelleDonnées géographiq

locales

Inventaire des sourcesTrafic parc

Mode de fonctionnement„ Facteurs d'émissions

(espèces)

/. Schéma fonctionnel de laversion de base de l'outilAZUR.

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2. Concentration d'ozone en région parisienne à 18 heures, le 31 juillet 1992.

DE LA VERSION DE BASE...

Cette version de base est un outil de recherche qui adeux fonctions essentielles. D'abord analyser finementdes épisodes de pollution pour en comprendre les pro-cessus et rechercher les paramétrisations additionnellesnécessaires à leur bonne représentation. Puis, générerdes versions dérivées. La version de base (figure 1) com-porte principalement :- un module modélisant les émissions de polluants pri-maires (à partir de données concernant les sources depollution liées au transport, à l'industrie et au chauffageurbain);- le code d'écoulement atmosphérique non hydrostatiqueMERCURE, qui décrit le champ de vent local;- le module de transport réactif AIRQUAL associé aumodèle de chimie atmosphérique MOCA, qui estime ladispersion des polluants primaires et la génération despolluants secondaires;- des modules annexes d'interfaçage et de déterminationdes flux radiatifs ultraviolets.

Les éléments constitutifs de cette version ont été déve-loppés ou améliorés en 1995. En janvier 1996, les toutpremiers résultats d'un épisode hivernal et d'un épisodeestival de pollution de la région parisienne ont été obte-nus. Leur analyse a conduit à des évolutions complé-mentaires, aboutissant à la première version opération-nelle de l'outil de recherche AZUR, dont les résultats ontété présentés en congrès à Toulouse fin août %(figure 2). Une comparaison avec des mesures du réseaude surveillance de la qualité de l'air en Ile de France,AIRPARIF, montre la capacité du modèle à reproduire leniveau et le phasage des pics de pollution (figure 3)-

Au cours d'un séminaire PRIMEQUAL1 . le ministère del'Environnement a présenté le système logiciel AZURcomme l'un des quatre modèles français devant fédérerles efforts de recherche des laboratoires, de façon à cou-vrir in fine une gamme d'échelle d'études de pollutionallant de la rue (100 m) au continent (3 000 km).

... AUX VERSIONS DERIVEES

On peut percevoir actuellement deux axes d'applica-tion pour les outils de simulation de la pollution atmo-sphérique. Le premier axe concerne des études de scé-narios à moyen ou long terme, qui peuvent contribuer àla définition des politiques d'équipement, de combus-tibles ou de réglementation. Le second axe est celui de laprévision de la pollution en temps réel associé à la prisede mesures correctives immédiates. Il est bien illustré parle récent appel d'offres d'AIRPARIF pour le développe-ment et la fourniture d'un système de simulation de lapollution du bassin parisien, ou les difficultés soulevéespar la mise en cause de la centrale de Vitry à l'occasiond'un épisode de pollution en novembre 1995- Les outilsnécessaires pour répondre à ces deux types de besoinsne sont pas de même nature.

Dans le premier cas, une voie intéressante consiste àbaser les études d'impact et d'anticipation sur unebanque de données d'épisodes de pollution pré-calculésavec des outils qui soient les plus complets et précis pos-sibles. C'est dans cet esprit que le Ministère de l'environ-

1. Programme de Recherche Interorganisme pour une MEilleureQUalité de l'Air à l'échelle Locale.

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\lg/mi

250-

200-

150-

100-

5 0 -

LHVP•-• Tour Saint-Jacques••• Tour Eiffel— AZUR

0 4 8 12 16 20 0 4 8 12 16 20 0 4 8 12 16 20 0

Temps (h) / Time (h)

250-

200-

150-

100-

5 0 -

RambouilletAZUR

0 4 8 12 16 20 0 4I I I I8 12 16 20

4 8 12 16 20 0

Temps (h) / Time (h)

3- Reconstitution de l'épisode de pollution du 29 au 31 juillet1992 : comparaison des résultats d'AZUR aux mesures deconcentration d'ozone du réseau AIRPAR1F.

nement a retenu, à l'issue d'un appel d'offres lancé dansle cadre PRIMEQUAL, la version de base du système logi-ciel AZUR pour constituer, en 1997, un échantillon repré-sentatif d'épisodes de pollution simulés en région pari-sienne.

Afin de répondre aux besoins en temps réel, il faut desoutils de simulation simplifiés, optimisés du point de vuedu temps de calcul et pouvant fonctionner sur du maté-riel informatique léger (station de travail ou micro-ordi-nateur). Un effort important a été entrepris pour simpli-fier le schéma chimique et accélérer les algorithmes de

résolution du système AZUR. D'ores et déjà un gain d'unfacteur douze en vitesse de calcul a été acquis depuis ledébut de l'année. Ces résultats doivent permettre de déri-ver rapidement un outil simplifié spécifique de la versionde base du système logiciel AZUR, afin de répondre àl'appel d'offres qu'AIRPARIF a lancé fin 1996.

Exploiter AZUR comme outil de connaissances etd'analyse pour qu'il devienne un outil d'aide à la déci-sion, tel est l'objectif de la DER à partir de 1997.

Département Environnement.

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P R 0 T E C T 1 0 N D E L ' E N V I R 0 N N E M E N T

CHLORATIONDES CIRCUITS DE

REFROIDISSEMENTDE DAMPIERRE

POUR ELIMINERLES AMIBES

PATHOGENES

Sous le contrôle d'un comité de suivi pilotépar le préfet du Loiret, une procédure dechloration du circuit de refroidissement dela centrale de Dampierre a été mise enœuvre avec succès pendant l'été 1996, pourprévenir tout risque sanitaire, dû à desgermes pathogènes, pour les personnes sebaignant dans la Loire.

RISQUE SANITAIREA DAMPIERRE-EN-BURLY

L'échauffement des eaux dans les circuits de refroidis-sement des centrales thermiques peut favoriser le déve-loppement de germes pathogènes pour l'homme. En eaudouce, c'est le cas des amibes Naegleria fowled, pouvantentraîner après inhalation d'eau une méningo-encépha-lite amibienne primitive, maladie extrêmement rare(171 cas recensés dans le monde), mais généralementmortelle.

Chargée des études concernant l'abondance en amibesdans les circuits de refroidissement et les cours d'eau, laDER a mis au point les techniques d'échantillonnage etd'analyse des concentrations en Naegleria fowled, tenantcompte de la variabilité spatiale et temporelle dans lemilieu naturel et en centrale. Ces protocoles ont ensuiteété utilisés pour dresser l'inventaire des concentrationsen amibes sur l'ensemble du parc nucléaire.

Les résultats obtenus montrent que, tant que le maté-riau utilisé dans les condenseurs des centrales était lelaiton, les concentrations en amibes dans les circuitset a fortiori dans l'environnement restaient faibles.Cependant, l'apparition de l'inox comme matériau de gai-nage des tubes de certains condenseurs a entraîné dansceux-ci une augmentation significative des concentra-tions en amibes. Même si son estimation exacte demeureentachée d'incertitudes, un risque de pathologie en avalde certaines installations ne pouvait a priori pas êtreécarté en période estivale, lorsque les débits des coursd'eau sont plus faibles et leurs températures plus élevées.Il est ainsi apparu que Dampierre-en-Burly, équipéactuellement de deux tranches à condenseurs en inox,était le premier site qui risquait de dépasser dès l'été1996 la concentration de 100 Naegleria fowled par litredans la Loire en aval, niveau présentant un risque sani-taire à ne pas négliger selon les estimations effectuéespar le Service des Etudes Médicales d'EDF.

PROCEDURE DE TRAITEMENT

A l'issue d'une phase de concertation entre EDF et lespouvoirs publics, la chloration continue des circuits derefroidissement de Dampierre a été la solution retenue,parmi celles proposées par la DER, pour réduire lesconcentrations en amibes pathogènes.

La chloration a débuté fin juin 1996 par une chlorationmassive, purge fermée, de l'eau de refroidissement desdeux tranches équipées de condenseurs en inox. Aprèsréouverture des purges, l'injection continue d'eau deJavel (figure 1), en amont des pompes de circulation qui

1

/. Bâche de stockage pour l'injection en continu d'eau deJavel.

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VapeurSteam

AéroréfrigérantCooling tower

Bassin froidCold-water basin

AppointMake up1,6 m-Vs

Blow-down1,1 mVs

Injection \j?;d'eau

dejavei

2. localisation de l'injection de chlore sur le circuit derefroidissement.

alimentent le condenseur (figure 2). s'est poursuivie jus-qu'à fin septembre. Elle a été interrompue en août surune des tranches, en raison de la vidange programméedu circuit, lors de l'arrêt pour rechargement du combus-tible.

CHLORE ET EFFICACITE ANTI-AMIBIENNE

L'efficacité de la chloration a été suivie par des prélè-vements à la fois en centrale et dans l'environnement enaval du site. Dès la chloration massive, et jusqu'à l'arrêtde tranche, les concentrations en amibes dans l'eau derefroidissement ont chuté radicalement. Cependant, lesprélèvements réalisés pendant l'arrêt de tranche sur l'eaude lavage des condenseurs ont montré que les parois ducondenseur demeuraient colonisées en amibes, et qu'ilfallait faire subir aux eaux de lavage un traitement dedésinfection.

L'interdiction temporaire de baignade, mise en placepar le préfet du Loiret par mesure de précaution à partirdu 21 juin 1996, a été levée le 1" août, au vu des résul-tats satisfaisants obtenus en juillet. Le comité de suivi de

la chloration composé du préfet, de la DDASS, de laDRIRE, de la DIREN et d'EDF a décidé d'arrêter la chlo-ration à partir du 30 septembre 1996, en raison de la finde la période estivale.

CHLORE ET IMPACT SUR L'ENVIRONNEMENT

Outre l'effet sur les amibes, cette première campagnede chloration continue a permis de tester différents auto-mates de mesures des concentrations en chlore, de quan-tifier les concentrations en résidus de chloration dans lescircuits et au rejet, et d'évaluer l'écotoxicité de ce traite-ment. Il est d'ores et déjà possible de tirer plusieursconclusions :- les concentrations moyennes en chlore libre résidueldans les circuits ont été comprises entre 0,3 et 0,6 mg/1;la concentration en chlore libre résiduel avant rejet enLoire est toujours restée inférieure à la limite réglemen-taire de 0,1 mg/1;- les concentrations en résidus de chloration, trihalomé-thanes et AOX (Adsorbables Organic Halides) au coursde la chloration continue sont restées faibles;- les tests d'écotoxicité aiguë mis en place au cours de lachloration ont montré qu'aucune toxicité à court termene pouvait être imputée au rejet de la centrale;- les campagnes de pêche d'inventaire réalisées fin juillet1996, après un mois de chloration, montrent que le peu-plement de poissons en aval de Dampierre est resté glo-balement conforme à celui qui peuple la Loire dans lesecteur de Belleville à Dampierre.

UN TRAITEMENT A LONG TERME ?

En conclusion, les résultats obtenus lors de cette expé-rience de chloration continue montrent qu'il est possibled'éliminer les amibes de l'eau de refroidissement des cen-trales en circuit fermé, avec une concentration en chlorelibre résiduel de 0,5 mg/1. De plus amples investigationssur l'optimisation du traitement sont en cours.

Département Environnement.

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P R O T E C T I O N D E L ' E N V I R O N N E M E N T

L E TRAITEMENTIN SITU DES

TRANSFORMATEURSCONTENANT DES PCB

Trois transformateurs à huile minéralepolluée par des PCB (polychloroblphényles),de la DER ont été réhabilités commematériels non PCB, suite à une opération dedépollution in situ. La validation de ce typede traitement élargit la palette des solutionsenvisageables pour la réhabilitation desappareils les plus pollués.

EDF GERE L'ELIMINATION DE SES PCB

La gestion des matériels du réseau électrique englobede plus en plus des critères liés à la protection de l'envi-ronnement. Depuis 1987, EDF élimine régulièrement etde manière anticipée ses matériels électriques isolés auxPCB purs tels que certains transformateurs, condensa-teurs, accessoires de coupure. On peut également trou-ver des traces de PCB dans des transformateurs isolés àl'huile minérale; on parle alors d'une pollution PCB sileur teneur dans l'huile est supérieure à 50 ppm (parti-cules par million).

Une directive européenne récente, visant l'éliminationcontrôlée des PCB et l'élimination ou la dépollution desappareils en contenant, autorise toutefois le maintien enexploitation de ceux dont la teneur n'excède pas300 ppm. Il est donc important pour EDF de disposer detechniques de traitement des transformateurs pollués au-delà de 500 ppm et présentant un intérêt stratégique ouéconomique fort.

REHABILITERLES TRANSFORMATEURS POLLUES :

SOIGNER POUR MOINS DETRUIRE

Deux types de traitement sont actuellement possibles :- le rétro-remplissage, qui consiste à vidanger l'huile pol-luée, à rincer la cuve du transformateur et à la remplird'une charge d'huile neuve; l'huile polluée est alors soitdétruite, soit traitée en usine;- la dépollution du transformateur in situ ou en usine, quiconsiste à détruire chimiquement les PCB dans l'huile età lui rendre des caractéristiques diélectriques satisfai-santes.

La dépollution est bien adaptée à des niveaux élevésde pollution initiale et à la maîtrise de la teneur résiduelleen PCB; son champ d'application est ainsi complémen-taire de celui du rétro-remplissage. Elle peut égalements'envisager pour réhabiliter des transformateurs polluéspar d'autres produits.

Le choix entre ces différentes solutions repose sur uneanalyse technico-économique à mener au cas par cas et

/. Poste de transformation montrant les tuyaux de connexiondu transformateur pollué aux unités de traitement.

2. Unités de traitement. A gauche, l'unité de désbalogénation.A droite, l'unité de pompage et chauffage de l'huile.

qui prend en compte les coûts de remplacement dutransformateur, de remise en conformité de son installa-tion, du rétro-remplissage ou de la dépollution, ainsi que

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R

- •

.Transformateur à huile polluée PCBPCB contaminated oil transformer

Unité de régénération de l'huile(connectée en fin de traitement)Oil reconditioning unit(connected at end of processing)

- Circulation de l'huileOil flow

Unité de pompageet de chauffage de l'huileOU pump and heating unit

îInstallation mobileMobile unit

Unité de déshalogénation des PCBPCB dehalogenation unit

J3. Schéma d'une installation mobile de réhabilitation sur site d'un transformateur à huile polluée par des PCB.

les coûts de destruction des matériels en fin de vie, selonleur teneur en PCB.

UNE OPERATION EXPERIMENTALE IN SITUA PERMIS DE REHABILITER

TROIS TRANSFORMATEURS :

Trois transformateurs d'une installation d'essai de laDER, contenant chacun entre 700 et 1 500 kg d'huile pol-luée entre 100 et 500 ppm de PCB, ont été dépollués insitu par un opérateur industriel (figures 1 et 2).

Le procédé de traitement (figure 3) consiste à faire cir-culer en continu l'huile chauffée dans des réacteurs oùles PCB sont détruits; les déchets industriels classiquesrésiduels sont incinérés, mis en décharge ou recyclés. Ladépollution est très efficace car la teneur finale en PCBde l'huile traitée est comprise, selon la durée du traite-ment, entre 50 et moins de deux ppm. La qualité diélec-trique de l'huile a également été améliorée par le traite-

ment (filtration et déshydratation de l'huile), assurantainsi une durée de vie prolongée des transformateurs.

Remis en service après quelques jours de traitement,les trois transformateurs n'ont subi aucun incident aprèsplus d'un an d'utilisation, et la teneur en PCB reste trèsstable et proche de l'objectif de dépollution fixé(quelques ppm).

DES SOLUTIONS ADAPTEES AU PARC EDF

La maîtrise de ces différentes solutions techniquesd'élimination des PCB et de leurs conditions d'applica-tion permettra à EDF de choisir les mieux adaptées, tech-niquement et économiquement, aux transformateursconcernés, tout en répondant aux évolutions de la régle-mentation.

Département Câbles, Condensateurs,Matériel d'Automatisme, Matériaux.

ESI F a i t s m a r q u a n t s 1 9 9 6

P R O T E C T I O N DE L ' E N V I R O N N E M E N T

STEEPLECHASEDEVANT DUNKERQUE

LA DER AIDELE GAZODUCNORVEGIEN

A FRANCHIRLES BANCS DE SABLE

Dans le cadre de ses prestations externes àl'Entreprise, la DER a réalisé, pour la sociéténorvégienne STATOIL, un vaste ensembled'études liées à l'atterrage du gazoducNorFra près de Dunkerque. La mise en oeuvrede codes numériques hautement performantsa permis de répondre, dans un strict respectdes délais, aux problèmes du client.A savoir : prévoir les érosions des fondsmarins pendant la durée de vie du gazoduc,estimer le colmatage, pendant la pose, de latranchée creusée pour ensoulller le gazoduc,et déterminer les actions hydrodynamiquess'exerçant sur le pipeline.

LE PROJET NORFRA DEVANT DUNKERQUE :UN DEFI TECHNIQUE RELEVE PAR LA DER

La société norvégienne STATOIL reliera en 1997 leschamps de gaz de la mer du Nord à la France par unpipeline de 850 km de longueur, dénommé NorFra. Lazone d'atterrage près de Dunkerque est caractérisée pardes fonds marins irréguliers, avec la présence d'un sys-tème complexe de bancs sableux évolutifs. Ce littoral estexposé à de forts courants de marée, à des houlessévères provenant de la mer du Nord et à un transportsédimentaire particulièrement important. En consé-quence, la pose du pipeline sur ces vingt derniers kilo-mètres s'annonçait comme un défi majeur.

Dans un tel contexte, STATOIL, travaillant pour lecompte de Gaz de France, a décidé de faire appel ausavoir-faire de la DER dans le domaine maritime pourl'aider à définir une solution techniquement et économi-quement optimale qui satisfasse de plus des exigencesdraconiennes de sûreté. Ces études ont dû être menéesavec des délais extrêmement serrés.

DES DEVELOPPEMENTS COMPLEMENTAIRES

Les modèles numériques de houle, de courant et d'évo-lution sédimentaire utilisés dans le cadre de cette étudeappartiennent au système TELEMAC d'EDF et sont déve-loppés suivant des procédures d'Assurance Qualité. Lacomplexité des problèmes posés rendait nécessaired'opérer dans ces logiciels de nouveaux développe-ments.

Ainsi, le modèle spectral de génération de houle a étéétendu au domaine côtier, en se dotant de modules trai-tant le déferlement en zones peu profondes. Le logicield'évolutions morphodynamiques tient compte doréna-vant de l'effet combiné de la houle et des courants sur le

transport sédimentaire. Des développements novateursont été réalisés dans le domaine du transport non saturépour disposer d'un modèle reproduisant le déplacementet le remplissage d'une tranchée.

Les phases de validation de ces modèles sur la zoned'étude ont montré leurs capacités à reproduire les phé-nomènes naturels. En témoignent l'excellente simulationde la tempête de juillet 1970, la comparaison des calculscourantologiques en plus de vingt points de mesures, oula reproduction numérique du mouvement et du comble-ment durant dix mois d'une tranchée expérimentale creu-sée près de Dunkerque.

DES APPLICATIONS COURONNEESDE SUCCES

Le remblaiement de la tranchée a pu être déterminé demanière précise grâce au couplage des modèles hydro-dynamiques de houle et de courant. Pour faciliter ce cou-plage, un maillage commun a été considéré. La structureéléments finis a permis d'épouser au mieux les frontièresdu domaine et de raffiner les zones d'intérêt, comme latranchée ou les bancs sableux, tout en conservant unnombre global de mailles restreint afin de limiter letemps de calcul. Les courants de marée on été détermi-nés sur l'ensemble de la période de pose, à savoir sixsemaines. A l'issue de ces simulations, STATOIL disposaitnon seulement des volumes d'ensablement, mais aussides profils d'évolution de la tranchée.

Pour évaluer les contraintes hydrodynamiques s'exer-çant sur le pipeline, de nombreux calculs de propagationde houle se sont avérés nécessaires, du fait de l'extrêmesensibilité des résultats aux variations du niveau du pland'eau ou des caractéristiques de la houle au large. Grâceà cette approche numérique, STATOIL a pu dimensionnerde manière optimale le gazoduc.

F a i t s m a r q u a n t s 1 9 9 6

Maillage : 13 592 noeuds et 26 861 élémentsMesh : 13 S92 nodes and 26 861 elements

BathymétrieBathymetry

(m)

a) Bathymétrie de la zone étudiée

Mesures / MeasurementsCalcul / Computation

i l i t -H + t t. < -, i \

96 ,Temps (h) tTime (h)b) Comparaison des houles significatives mesurées

et calculées au point indiquéDûnkerque EstEast Dunkerque

Dunkerque OuestWest Dunkerque

c) Hauteur de houle significativeet direction de propagation moyenne

/. Simulation des phénomènes de houle, de courant et d'évolution sédimentaire près de Dunkerque.

L'utilisation de ces logiciels hautement performants, surcette zone d'étude pourtant fort complexe, a ainsi permisde répondre avec succès aux attentes du client STATOILdans un strict respect des délais. Les travaux pourront

donc être lancés à la date prévue, en mai 1997, pours'achever à la fin de l'été.

Laboratoire National d'Hydraulique.

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DÉVELOPPEMENT, EXPLOITATIONDES MATERIELS ET RESEAUX ELECTRIQUES

ElConséquences de l'ouverture de la concurrence à la production :

valorisation des Services Système

Filtre actif 175 Hz/188 Hz pour installation de production décentralisée

La réoptimisation coordonnée des consignes de production en cours de journée ?Avec COCKPIT, c'est possible !

taUn réseau électrique européen interconnecté de l'Atlantique à l'Oural ?

Un conducteur optimisé pour augmenter la capacité de transit des lignes aériennes

Evaluation des nouvelles technologies de câbles à isolation gazeuse

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E^

CONSEQUENCES DEL'OUVERTURE

DE LA CONCURRENCEA LA PRODUCTION :VALORISATION DES

SERVICES SYSTEME

L'application de la Directive européennesuscitera en France l'apparition de nouveauxacteurs du système électrique : lesproducteurs Indépendants et les clientséllgibles. L'une des conséquences de cetteévolution est la nécessité de mieux cernerles coûts des Services Système, jusque-làpris en compte au sein de l'entrepriseintégrée, et de déterminer des clefs derépartition équitables de ces coûts entre lesdifférents acteurs du système.

QU'APPELLE-T-ON SERVICES SYSTEME ?

Le système électrique forme un tout dont les fonctionsne se réduisent pas à la production d'énergie et à sontransport vers les lieux de consommation. Afin de garan-tir le niveau de qualité et de sécurité requis, il assure éga-lement, préventivement et face aux aléas, les grandesfonctions d'équilibre production-demande, donc demaintien de la fréquence et des échanges avec les com-pagnies étrangères, de maintien de la tension et de la sta-bilité, de reprise de service après un incident localisé ougénéralisé. Ces grandes fonctions sont regroupées sousl'appellation de Services Système.

L'APPROCHE VUE PAR LES DIFFERENTSACTEURS : LES PRODUCTEURS,

LES CONSOMMATEURS, LE SYSTEME

Pour le consommateur, les Services Système sont unepartie intégrante donc peu visible du kWh. Tout clientrelié au réseau est ainsi consommateur de ServicesSystème de façon implicite, au travers de la continuité del'alimentation et de la qualité de la fourniture. Ceci estvrai quel que soit le secteur dont relève ce client : clientd'EDF, client eligible ayant contracté avec un ou des pro-ducteurs indépendants, auto-producteur qui fournit lui-même sa propre consommation en étant connecté auréseau. En outre, les couples producteurs-consomma-teurs peuvent ainsi bénéficier d'une compensation desécarts entre la puissance programmée des transactions etles puissances effectivement fournies, ainsi que d'unsecours de courte durée.

Pour un producteur, qu'il soit EDF, producteur indé-pendant lié (producteur indépendant vendant sa produc-tion à EDF), ou producteur indépendant non lié, lesServices Système se définissent principalement par lescontributions élémentaires qu'apporte chaque groupe àla réalisation des fonctions du système. Outre la fourni-ture de puissance active, les groupes vont produire ou

absorber de la puissance réactive, tenir la tension, parti-ciper au maintien de la fréquence. A ces services de basese rajoutent d'autres services nécessaires au bon fonc-tionnement du système : le suivi de charge journalier, lafourniture d'informations prévisionnelles fiables en parti-culier sur la disponibilité, la contribution à la reprise deservice après incident donc l'aptitude à réussir un îlotage,etc.

Le système assure le lien entre producteurs et consom-mateurs. Il collecte les contributions élémentaires desproducteurs, les intègre dans la gestion économique dusystème en y ajoutant sa propre contribution, et fournitdes services élaborés de continuité d'alimentation auxconsommateurs. Tout ceci nécessite des ressources etimplique des coûts. Se posent donc les problèmes del'évaluation des coûts pour le système, de la rémunéra-tion des fournisseurs de service, de l'allocation des coûtsaux consommateurs de services.

UN EXEMPLE : LE REGLAGEDE LA PUISSANCE ACTIVE

Pour assurer l'équilibre offre-demande à tout instant, lesystème doit être en mesure de réagir à tout aléa (pertede groupe, écart avec la consommation prévue, ...). Pourcela, il lui faut disposer de marges de production dont ladynamique de mise en oeuvre va de quelques secondesà quelques heures, voire plus. L'échelle de temps de leurmise en oeuvre permet de distinguer :- la réserve primaire, agissant automatiquement enquelques secondes ;- la réserve secondaire, permettant de retrouver enquelques minutes la fréquence nominale et le niveauprévu des échanges avec les réseaux voisins ;- la réserve tertiaire, intervenant dans un délai d'unedemi-heure à plusieurs heures, permet de compléter lesactions des réglages primaire et secondaire et de rétablirleurs niveaux initiaux.

E l F a i t s m a r q u a n t * 1 9 9 6

Cette constitution de réserves a un coût. Tout d'abordun coût d'exploitation : pour disposer de ces marges, legestionnaire du réseau est amené à ne pas utiliser à leurspuissances maximales des groupes à coûts peu élevés, eten contrepartie à faire fonctionner des moyens de pro-duction plus chers pour établir l'équilibre offre-demande.Elle a aussi un coût d'équipement, puisqu'on est ainsicontraint à construire plus de centrales et à les équiperavec des moyens de réglages.

LA VALORISATION OU L'ETUDETECHNICO-ECONOMIQUE DES COUTS

Une approche a posteriori, basée sur des donnéescomptables, avait conduit à une première estimation descoûts liés aux services de réglage de la puissance active,

dont il convenait de qualifier la pertinence. Pour cela,des travaux ont été entrepris en 1996 sur la base d'uneméthodologie de modélisation de la gestion du systèmede production.

Tout d'abord, une simulation annuelle du système enavenir aléatoire a été effectuée, en évaluant les variationsde coût d'exploitation liées au placement des diverstypes de réserve. Puis, ont été quantifiés les surcoûts liésà la non-participation de trois catégories de producteurs(nucléaire 900 MW, Houillères, fioul 600 MW) à la four-niture des services de réserve.

Ces travaux ont fourni les éléments qui nous permet-tront de proposer un système d'allocation des coûts et derémunération des contributions aux Services Système.

Département Conception et Economie des Réseaux.

FILTRE ACTIF 175 HZ / 188 HZ POURINSTALLATION DE PRODUCTION DECENTRALISEE

SIGNAUX TARIFAIRES D'EDFET INSTALLATIONS DE PRODUCTION

DECENTRALISEE NE FONT PASBON MENACE

Le raccordement d'une installation de productiondécentralisée sur le jeu de barres des postes sources per-turbe l'émission des signaux tarifaires d'EDF, signaux à175 Hz injectés par un émetteur de télécommande cen-tralisé situé sur l'arrivée du poste. En effet, la bonneréception par les clients de ces signaux est garantie si letaux à 175 Hz sur le jeu de barres est supérieur à 1,4 %de la tension nominale moyenne tension. Ceci repose surle principe que l'impédance à 175 Hz en amont del'émetteur est faible devant l'impédance en aval del'émetteur.

Or, la présence d'installations de production décentra-lisée sur le jeu de barres d'un poste source abaisse l'im-pédance en aval, et affaiblit fortement le taux à 175 Hzsur le jeu de barres du poste.

Il existe plusieurs solutions pour rétablir le taux en pré-sence d'installation de production décentralisée. Le rac-cordement en amont du transformateur (HTB) est techni-quement satisfaisant mais très coûteux. Le bouchonpassif (inductance et capacité) placé sur la ligne d'ali-mentation de l'installation de production (HTA) présentede nombreux inconvénients (non adaptatif à l'évolution

du réseau, risque de dérive des composants, résonance,volume, deux équipements pour l'accord aux deux fré-quences 175 Hz et 188 Hz et absence de système d'auto-surveillance de son efficacité).

LE FILTRE ACTIF 175 HZ / 188 HZ :UNE PARADE EFFICACE

Un nouveau système, le filtre actif série 175 Hz /188 Hz pour installation de production décentralisée, aété développé par SCHLUMBERGER et la DER. Installé ensérie entre l'alternateur de l'installation de production etson point de raccordement au réseau (figure 1), ce sys-tème injecte une tension à 175 Hz (ou 188 Hz) identiqueen amplitude et en phase (ou supérieure en amplitude)au signal tarifaire, permettant de maintenir ce dernier àun niveau égal (ou supérieur) à celui obtenu en l'absenced'installation de production décentralisée. Le coût de cesystème, aux performances supérieures, est équivalent àcelui d'un bouchon passif bifréquence 175/188 Hz enextérieur.

La DER a réalisé les spécifications du prototype etmené des études par simulation pour valider le fonction-nement du système et son insertion dans le réseau. Unprototype a été expérimenté avec succès sur une centralethermique de 6 MVA au poste source de Réalmont dans

F a i t s m a r q u a n t s 1 9 9 6

Poste sourcePrimary substation

Emetteur TCMain signaling generator

175 Hz

Jeu de barres HTAMV busbar

Transformateur HTA/HTBMV/LV transformer

1. Le filtre actif 175 Hz / 188 Hz rétablit le niveau des signauxtarifaires en cas de raccordement d'une installation deproduction décentralisée sur un poste source.

ChargeHTAMVload

IZch

Centrale thermiquedu producteur

Utility's power plant

Installation. <k> pOecentniàsed production

2. hltre aaij 175/ 188 Hz.

le Tarn (figure 2). Le prototype a été mis en service défi-nitivement sur ce site en novembre 1995. Les excellentesperformances du filtre 175 Hz ont permis de maintenir lebon fonctionnement de la transmission tarifaire, malgréle raccordement de l'installation de production décentra-lisée au poste source.

Ce produit a été commercialisé par SCHLUMBERGERen 1996. Cinq autres sites de puissance comprise entre5 et 10 MVA ont été équipés de filtres actifs 175 / 188 Hz.

Département Machines Electriques.

L A REOPTIMISATION COORDONNÉEDES CONSIGNES DE PRODUCTION

EN COURS DE JOURNEE?AVEC COCKPIT, C'EST POSSIBLE !

UN DEFI PERMANENT

Produire au moindre coût, en toute sécurité et àchaque instant, la quantité d'électricité exigée par sesclients, est l'une des missions fondamentales de tout ges-tionnaire d'un système électrique. Cette activité est parti-culièrement complexe parce que soumise à descontraintes multiples :

- de simultanéité : chaque kilowattheure consommédoit être produit au même instant (flux très tendus !) ;

- de réactivité : le niveau de consommation, la dispo-

nibilité des ouvrages de production, l'hydraulicité, nesont jamais parfaitement connus à l'avance ;

- d'hétérogénéité : les moyens de production ont descaractéristiques, donc des contraintes de fonctionnement,très variées.

DES HOMMES, DES OUTILS,UN SEUL OBJECTIF

Pour que les choix de production soient efficaces etéconomiques, EDF utilise depuis de nombreuses années

F a i t s m a r q u a n t s 1 9 9 6

un procédé de hiérarchisation des décisions de produc-tion. Il s'agit d'abord d'une hiérarchisation dans le temps,qui va de l'horizon pluriannuel jusqu'au temps réel. Elleest doublée d'une hiérarchisation dans l'espace, qui s'ap-puie sur un centre national d'exploitation du systèmeélectrique et sur sept centres régionaux. Cette organisa-tion ne peut fonctionner de la manière la plus efficacepossible, que si la coordination des différents acteursimpliqués (et la complémentarité des outils qu'ils utili-sent) est parfaite.

Or, au stade ultime de cette chaîne, c'est-à-dire entemps réel, les opérateurs des dispatchings du Centrenational et des sept Centres régionaux (véritables• pilotes - des moyens de production) ne disposent pasd'outil d'aide à la décision pour adapter les consignes deproduction (les • plans de vol •) aux réalités de l'exploi-tation (les perturbations) : ils « naviguent à vue ». En effet,les programmes de production ont été élaborés la veillesous certaines hypothèses ... que la nature prend unmalin plaisir à remettre en cause régulièrement. Pouraffronter ces aléas, les opérateurs ne peuvent alors comp-ter que sur leur sens de l'anticipation, leur expérience ...leur papier, leur crayon et leur téléphone ! Dans cesconditions, il est illusoire d'imaginer que l'ajustement desprogrammes de production (la > trajectoire •) décidé parl'opérateur sera optimal, c'est-à-dire non seulement per-tinent, mais également le plus économique et le plus sûrpossible.

UN OUTIL EPROUVE PUIS APPROUVE

Pour progresser dans la voie de l'aide à la décision, unprototype (COCKPIT) qui sert de support à l'expérimen-

tation de nouvelles fonctions d'aide à la gestion journa-lière de la production, a été réalisé.

En 1996, une étape importante a été franchie. A plu-sieurs reprises, trois expérimentateurs du prototype, àParis, Lyon et Toulouse, ont réoptimisé (c'est-à-direobtenu une solution qui satisfait simultanément les troiscritères : faisabilité, économie et sécurité) de manièrecoordonnée les consignes de production pour le jourmême de l'ensemble des centrales hydrauliques (à lacharge des Centres régionaux), thermiques et nucléaires(à la charge du Centre national). A l'aide des trois stationsCOCKPIT installées dans leurs unités respectives, lesopérateurs ont échangé les informations nécessaires àcette fonction novatrice (la • navigation aux instru-ments »), et simulé des modifications réalistes et variéesdes conditions d'exploitation. La simplicité d'utilisationde COCKPIT et la qualité des programmes de productionconstruits ont démontré la faisabilité et la valeur ajoutéede cette fonction nouvelle.

DU PROTOTYPE A LA VERSIONOPERATIONNELLE

La mise en service d'une partie des fonctions propo-sées par COCKPIT aura lieu mi-1997 dans les Centresrégionaux de Lyon et Toulouse, une extension au Centrede Marseille étant d'ores et déjà prévue. Parallèlement,l'expérimentation se poursuivra au Centre national, àParis, pour finaliser certains points avec, pour objectifaffiché, la mise en service en 1998 de la version 2 deCOCKPIT.

Département Fonctionnement et Conduite des Réseaux.

F a i l s m a r q u a n t s 1 9 9 6

N RESEAUELECTRIQUE EUROPEEN

INTERCONNECTEDE L'ATLANTIQUE A

L'OURAL ?

L'extension de l'interconnexion des réseauxvers l'Est est un sujet d'actualité auquel denombreuses études Internationales ont déjàété consacrées. Si les problèmes à résoudresont nombreux et parfois complexes, leprocessus est aujourd'hui en bonne voie, etles frontières électriques entre l'Est etl'Ouest en pleine évolution.

Pendant plus de quarante ans, l'Europe électrique a étédivisée et s'est développée en deux blocs étanches. Al'Ouest, les réseaux de l'UCPTE, y compris ceux de laYougoslavie et de la Grèce, les réseaux Scandinaves(NORDEL) et le réseau anglais. A l'Est, les réseaux de laRDA, d'Europe centrale, d'Albanie, de Roumanie, deBulgarie et d'URSS.

Aujourd'hui, les pays d'Europe centrale et orientalemanifestent une forte volonté de rattachement au syn-chronisme avec le réseau UCPTE, un tel rattachementétant souvent perçu comme un premier pas symboliquevers l'intégration politique et économique au sein del'Union européenne.

D'un point de vue stratégique, le développement deséchanges avec l'Est est un enjeu pour accompagner ledéveloppement des pays en transition et élargir les pers-pectives des marchés électriques de demain. Cependant,l'extension de l'interconnexion passe par des évaluationséconomiques préalables à tout nouvel investissement.Elle nécessite aussi la résolution de problèmes tech-niques garantissant la sécurité de fonctionnement du sys-tème interconnecté, ainsi que la sûreté nucléaire et laqualité d'alimentation de la clientèle.

D'un point de vue pratique, si deux systèmes auxniveaux de développement et de fiabilité très différentspeuvent s'échanger de l'électricité au travers d'une inter-face asynchrone, une interface synchrone impose quantà elle un certain niveau de compatibilité des perfor-mances de la part des deux systèmes. Dans les deux cas,des investissements sont à prévoir :- en moyens d'interconnexion à courant continu (sta-tions dos-à-dos de conversion, stations de conversion etlignes à courant continu) pour le cas asynchrone ;- en équipements permettant d'améliorer les perfor-mances des réglages et des protections pour le cas syn-chrone.

Les temps de retour d'investissements sont des élé-ments clés pour toute décision concernant la nature del'interface à privilégier.

En octobre 1995, la connexion synchrone des pays duCENTREL (Pologne, République tchèque, Slovaquie et

Hongrie) ainsi que de l'ex-RDA avec l'UCPTE, a permisde constituer le système TESIS.

Le contexte technique et économique de la connexionsynchrone de l'Albanie, la Roumanie et la Bulgarie a faitl'objet de deux études financées par le programmePHARE de la Commission Européenne, dans lesquellesEDF a joué le rôle de leader.

Voir plus loin à l'Est, et tenter de déterminer les étapesultérieures d'interconnexion viables sur le plan techniqueet économique sans obérer la réalisation ultime d'ungrand réseau synchrone, favoriser dès que possible leséchanges d'électricité dans des conditions financièrementjustifiées, tel était l'objet de l'étude suivante, présentéeici. Financée par la Commission Européenne autravers de ses programmes PHARE et TACIS, celle-cia été confiée à un consortium emmené parPREUSSENELEKTRA, et dont RWE, Bayernwerk et EDFétaient les partenaires.

QUELLE INTERFACE ELECTRIQUE?

L'étude s'est placée à un horizon où TESIS inclurait laRoumanie et la Bulgarie, et où par conséquent l'Ukraine,la Biélorussie, la Moldavie et la Russie formeraient unautre système non synchrone avec TESIS. Son objectifétait de déterminer les investissements possibles à l'inter-face pour permettre des échanges financièrement ren-tables entre l'Est et l'Ouest dans deux scénarios, suivantque les pays baltes seraient synchronisés à l'Est ou àl'Ouest (figure 1).

L'ANALYSE TECHNIQUE ET ECONOMIQUE

L'évaluation économique des échanges, confiée à EDF,a été réalisée à l'aide du modèle probabiliste OKAPI. Cemodèle a permis de déterminer le potentiel économiqued'échanges au travers de l'interface, compte tenu descaractéristiques des systèmes candidats à l'intercon-nexion. On a pu ainsi déterminer pour 2005 deséchanges potentiels de l'ordre de 10 à 18 TWh, le princi-pal exportateur étant l'Ukraine.

F a i t s m a r q u a n t s 1 9 9 6

/. Extension de l'interconnexion vers les pays de la CEI et lesPays Baltes.

L'analyse réseau assurée par nos partenaires du consor-tium portait essentiellement sur les aspects stabilité etplan de défense. Elle a permis d'apprécier des structurespréférentielles de l'interface, permettant de réaliser leséchanges théoriques fournis par l'étape précédente.

GERER ECONOMIQUEMENT LA TRANSITION

Les résultats de l'évaluation économique suggèrentqu'une capacité de l'ordre de 4 000 MW permettrait d'as-

surer les échanges les plus économiques. Ceci indiqueque lorsque les conditions techniques d'une intercon-nexion synchrone globale seront par ailleurs réunies, lesinfrastructures existantes, construites du temps de l'ex-URSS et aujourd'hui non ou sous-utilisées (lignes à 750 et400 kV) seront suffisantes pour supporter les échanges.

Dans l'état de frontière asynchrone envisagé pourl'étude, un volume limité d'échanges de l'ordre de300 MW pourrait être réalisé sans investissement particu-lier en adoptant des topologies d'exploitation appro-priées de part et d'autre de l'interface.

Tout échange supplémentaire nécessiterait l'investisse-ment dans des équipements à courant continu pour desmontants dépassant 500 millions d'ECU.

Les temps de retour des stations de conversion dos-à-dos (de l'ordre de dix ans) et des lignes à courantcontinu (de l'ordre de trente ans) paraissent difficilementcompatibles avec une interconnexion synchrone globale,envisageable pour l'instant d'ici une dizaine d'années.

Enfin, il est clair que le raccordement synchrone desréseaux baltes à TESIS nécessiterait des investissementstrès lourds.

Département Conception et Economiedes Réseaux.

U N CONDUCTEUROPTIMISE POURAUGMENTER LA

CAPACITE DE TRANSITDES LIGNESAERIENNES

En dépit d'une croissance modérée de lademande d'énergie électrique, ledéveloppement du réseau de transport estIndispensable pour faire face aux enjeuxd'économie et de sécurité d'exploitationdans les années à venir. Un conducteuroptimisé conciliant développement etenvironnement peut être un atout pouraugmenter la capacité de transit desouvrages existants.

PLUS D'AMPERES...

Afin de concilier développement du réseau et respectde l'environnement, l'optimisation des couloirs de lignesaériennes existants apparaît aujourd'hui comme une solu-tion intéressante, car pouvant être mise en oeuvre par unchangement de conducteurs sans modification impor-tante des supports. Pour éviter que les contraintes du sys-

tème électrique ne deviennent coûteuses, voire critiques,il serait en effet nécessaire d'accroître la capacité de tran-sit de certaines lignes. Depuis plus de vingt ans, la plusgrande partie des conducteurs prescrits par EDF est for-mée de brins ronds homogènes en alliage d'aluminium-fer-magnésium. Une certaine marge mécanique est dis-ponible en considérant l'ensemble conducteur / jonction.

F a i t s m a r q u a n t s 1 9 9 6

300

250

200

150

100

50 ••

0

a) b)

Almélec usuelAlmélec optimisé

/. Comparaison des caractéristiques électrique et mécaniquedes alliages.a) Résistance mécanique moyenne par brin (MPa).b) Résistivité moyenne par brin (W1 Ohm/cm).

Elle peut être réduite au profit de la conductivité del'alliage (figure 1).

DANS UN MEME ESPACE...

Dans le but d'accroître la capacité de transit, le conduc-teur actuel a été optimisé, à diamètre identique, pourminimiser les changements d'équipements ou de struc-tures. Deux voies de progrès ont été suivies. D'une part,la section a été rendue plus compacte : des brins enforme de Z ou de trapèze permettent d'accroître la sec-tion conductrice de 20 % (figure 2). D'autre part, uneévolution du traitement métallurgique, réalisée avecPECHINEY et ALCATEL CABLES, a permis d'améliorer la

plus élaboré, le coût d'achat du conducteur est estimésupérieur à celui d'un conducteur traditionnel. En inté-grant également la baisse de la résistance électrique,donc du niveau des pertes, le bilan global permet d'es-pérer un prix du kW transporté voisin de celui duconducteur actuel, voire meilleur pour certaines puis-sances. Ce résultat est à apprécier au cas par cas. Parmiles lignes de transport qui seront contraintes à terme, cer-taines ont été identifiées comme présentant un intérêttechnico-économique à être réhabilitées avec desconducteurs optimisés.

NE RIEN LAISSER AU HASARD...

Outre la mesure essentielle du gain de capacité detransit, les propriétés de ces nouveaux conducteurs ontété comparées expérimentalement à celles des conduc-teurs actuels. Les essais ont été réalisés, depuis l'essai detraction usuel à la résistance aux vibrations éoliennes, enpassant par la fatigue, le bruit et le fluage global duconducteur. Une attention particulière a également étéapportée à l'intégration de ces conducteurs dans notreenvironnement. Les possibilités de réduction du bruitéolien et d'impact visuel (aspect moins brillant) sont étu-diées pour certaines versions ultérieures.

... ET METTRE EN ŒUVRE

Pour que ces performances techniques et économiquespuissent être mises en oeuvre rapidement, une spécifica-

2. Géométrie des conducteurs.a) Conducteur actuel à brinsronds.b) Conducteur compact à brins Z.c) Conducteur compact à brinstrapézoïdaux.

a)

conductivité électrique sans modifier la composition del'alliage (Almélec 6101). Ces progrès, notamment l'obten-tion de telles formes de section avec un alliage peu duc-tile, ont induit des difficultés importantes surmontées parles câbliers.

... POUR UN COUT INTERESSANT

La capacité de transit des conducteurs compacts setrouve alors accrue de 10 % en régime permanent et deprès de 16 % en régime de surcharge. Le câblage étant

tion fonctionnelle pour la fourniture de tels conducteursa été rédigée, en intégrant les aspects normatifs. La pro-chaine étape envisagée est une expérimentation enréseau, destinée à vérifier l'opération de déroulage et lesprocédures d'installation. On pourra ainsi disposer d'unesolution validée permettant d'augmenter la capacité detransit des lignes aériennes.

Département Postes et Lignes.

F a i t s m a r q u a n t s 1 9 9 6

f b Ë V Ë L d P P Ë I I V i Ë N T v ï É X P L i J i T A T I O N D E S M A T E R 1 E L S i :ET : R E S E A U X ; E L e C T R i Q U È $ i

EVALUATIONDES NOUVELLES

TECHNOLOGIESDE CABLES

A ISOLATION GAZEUSE

Destinés à la construction de liaisons 400 kVsouterraines à l'horizon 2000, les câbles àisolation gazeuse font l'objet dedéveloppements Industriels poussés,depuis 1994.ABB, GEC ALSTHOM etSIEMENS/GTMH/LAHMEYER ont terminé laphase de conception de leur propre produit,et la DER a évalué fin 96 des prototypesreprésentatifs des trois technologiesproposées. Les résultats techniques et lesanalyses économiques sont conformes auxattentes, ce qui permet d'engager des essaisde longue durée sur des portions de câbles àIsolation gazeuse de 300 mètres.

Les câbles à isolation gazeuse ressemblent à des pipe-lines remplis de gaz isolant, dans lesquels on aurait placéun ou plusieurs conducteurs sous tension (figure 1).Leurs caractéristiques électriques sont très intéressantespour le réseau 400 kV, en particulier leur aptitude autransport d'énergie massif.

Des produits similaires, appelés « liaisons blindées »,existent à l'heure actuelle dans certains postes sous uneforme inadaptée à la réalisation de liaisons souterrainesde grande longueur : les études menées ces dernièresannées comblent cette lacune. La phase de conceptiondes produits a permis d'atteindre trois objectifs princi-paux : un haut niveau d'intégration dans l'environne-ment, une optimisation des composants pour simplifierles opérations d'assemblage sur site et des prix prévi-sionnels conformes à l'objectif fixé.

INTEGRATION DANS L'ENVIRONNEMENT

Dans l'industrie électrique, on emploie traditionnelle-ment l'hexafluorure de soufre (SF6) comme gaz isolant àhautes performances. Cependant, des liaisons avec descâbles à isolation gazeuse de quelques kilomètres repré-sentent un volume de gaz important, et EDF a choisid'employer un gaz naturellement présent dans l'atmo-sphère. L'utilisation d'air est à éviter car l'oxygène de l'airpeut agir sur les composants internes. On emploie doncde l'azote dopé au SF6, pour élever les performancesdiélectriques du mélange au niveau requis. Les essaisdiélectriques réalisés à la DER ont validé cette option :les câbles à isolation gazeuse 400 kV peuvent être rem-plis à plus de 90 % d'azote.

Par ailleurs, de tels câbles en exploitation sont sanseffet thermique notable sur le sol environnant. Enfin, la

a)/. Les deux versions possibles de câbles à isolation gazeuse.a) Câble tripolaire : trois phases dans la même enveloppe.b) Câble unipolaire : une enveloppe par phase.

b)

F a i t s m a r q u a n t s 1 9 9 6

2. l un des prototypes de câbles à isolation gazeuse testés à laDER.

totalité des matériaux utilisés dans leur construction peu-vent être recyclés où éliminés.

Dans le domaine de la sécurité également, les nou-velles technologies de câbles à isolation gazeuse ont unintérêt particulier •. on a pu vérifier qu'en cas d'arcinterne (claquage de l'isolation), aucun effet externe n'estobservable.

LES COMPOSANTS PERMETTANTUN MONTAGE SIMPLIFIE SUR SITE

ONT ETE EPROUVES

Pour préserver les performances diélectriques du gazisolant, il est impératif d'éviter toute forme de contami-nation (particules métalliques, poussières, humidité, ...).Différentes techniques de construction ont été mises au

point pour y parvenir. Elles font appel à des composantsélémentaires spéciaux connectés entre eux sur site. Lecomportement global de ces assemblages (figure 2) a ététesté du point de vue thermique et mécanique (essai aucourant nominal, en surcharge et en court-circuit). Lesrésultats donnent satisfaction.

Les évaluations économiques donnent des résultatsconformes aux objectifs fixés. Bien que le coût estimédes liaisons par câbles à isolation gazeuse reste substan-tiellement supérieur au coût d'une liaison aérienne équi-valente, les résultats obtenus permettront de réduire lescoûts d'un facteur deux au moins par rapport à uneextrapolation de la technologie des liaisons blindées despostes.

PREMIERE LIAISON PAR CABLESA ISOLATION GAZEUSE : ENCORE UN PEU

DE PATIENCE

En 1997, des tronçons de câbles à isolation gazeuseenterrés, d'une longueur de 300 mètres, sont construitssur le site des Renardières de la DER. Le premier objectifde cette opération est l'optimisation des procédures depose. Ensuite, les tronçons seront mis sous contraintependant un an (tension et courant supérieurs aux valeursnominales) pour étudier leur fonctionnement à longterme. Les technologies ayant satisfait aux essais serontalors prêtes pour la construction d'une liaison pilote pré-vue en l'an 2000.

Laboratoires de Génie Electrique.

F a i t s m a r q u a n t s 1 9 9 6

INDEX

AI B

Acier :

AFNOR :

ALSTHOM :

Alternateur :

Amibe .-

P-

Appareil électroménager

Appareillage électrique :

P-Arc :

Atmosphère :

p. 30, 34, 42, 55,

Atome :

p. 36,Aubage :

Automatisme :

Azote :

8Baisse de tension :

Bâtiment réacteur :

Belleville :

Béton :

Blayais :

34,

66,

38,

P-

P-

55,

78,

68,

46,

19,

P-

15,

57,

P-

P'

P-

P-

P-

80,

P'

83,

50,

P-

73,

P-

P-

42,

P;

42,

P-

66

66

85

79

71

19

83

85

85

60

52

82

85

28

44

71

60

46

GCâble à isolation gazeuse :

p. 85Câble électrique :

p. 15, 19Cadarache :

p. 44

CEA :

p. 44, 46Centrale nucléaire .-

p. 36, 38, 48, 50, 52, 58, 71

Centrale thermique :

p. 57, 71, 79

Céramique :

p. 30Chaudière :

p. 44

Chauffage électrique .-

p. 14, 15, 17, 19, 25

Chauffage urbain :

p. 68

Chimie :

p. 28, 46, 55, 68

Chlore :

P- 71Climatisation :

P- 25Code :

p. 19, 40, 42, 44, 46, 52, 68, 75

Coeur de réacteur :

p. 34, 38, 40

Combustible nucléaire :

p. 36, 38Compatibilité électromagnétique :

p. 50

Condensateur électrique .-

P-73Condensation :

p. 17, 42

Condenseur :

p. 50, 71

Conducteur électrique :

Conduite de réseau

Confort :

P- 14,

P-

17,

Consommation d'énergie :

Convecteur :

Corrosion .-

Courant continu :

Court-circuit :

Creux de tension :

Criticité :

CSTB .-

Cuve de réacteur :

Cyclage thermique :

DDampierre-en-Burly

Débit :

p. 28,

Déchargement :

Délestage :

Dépôt :

Diagnostic :

P-

P'

P

42,

P-

17,

15,

P-

30,

46,

P-

30,

26,

83,85

p. 80

19, 25

66, 68

p. 19

46, 55

p. 82

p. 85

p. 28

44, 46

p. 15

p. 57

p. 46

p. 71

48, 50

36, 38

p. 26

55, 75

28, 48

F a i t s m a r q u a n t s 1 9 9 6

Directive : EPRI : Hexafluorure de soufre :

p. 73, 78 p. 42 p. 85

Dispatching : Erosion : Hôtellerie :

p. 80 p. 75 p. 26

Dôme : Essai : Houille :

P- 42, 44 p. 19, 23, 25, 30, 44, 46, 48, p. 78

Durée de vie : 50, 55, 57, 58, 62, 73, 75, Houle :

p. 34, 38, 50, 57, 66, 73. 75

Etats-Unis :

p-

p. 73.

83,

23,

78,

85

38

82

Huile de transformateur :

Hydraulicité :

p. 25,

HYDRO-QUEBEC :

P-

P.

60,

P-

75

73

80

23

Ses Europe :

Eau chaude :

p. 19, 26

Eau de Javel : mm

p. 7i rEau :

p. 34. 40, 44, 50. 60, 66, 71 F e n e t r e :

Echantillon : v'p. 30, 57 68 Fiabilité : Industrie chimique :

, -A- • ' i P- 50, 58, 78, 82 _, --,Ecoulement tridimensionnel : p. 5/

p. 42, 52 F R A M A T O M E : Industrie:Ecoulement : P ' 3 4 ' 5 8 P- 28, 30, 40, 50, 52, 58,

-, v -o ^ /o FRANCE TELECOM : CR 72 8 7

p. 42. 46, 52, 60, 68 08, 75, 82Electricité : P' Installation électrique :

p. 14, 15. 23, 26, 28, 30, 34, 50, P- 15, 19, 34, 78, 80, 8352. 58, 73, 82. 83, 85 INSTITUT FRANÇAIS DU PETROLE :

Electronique : %J§ P- 68

p. 19, 28, 50Eléments finis : G a i n e d e combustible :

p. 44, 75Emetteur : Gazoduc :

p. 14, 19, 25, 79

Enceinte : G D F :

p. 42, 44 P- 7 5 |Energie • Générateur de vapeur : Mm

p. 14. 17, 19, 28, 30, 36, 40. 52, P- 34, 40, 42_ ... . Ligne aérienne :

57, 58, 66, 82, 85 Gestion d énergie :

Energie nucléaire : P- 14, 19, 26, 62Logement :

p. 36, 52, 57, 80 Gravehnes :

Energie renouvelable : P- 50Logiciel :

P ' 6 2 p. 38, 40, 42, 52, 60, 68, 75Entraînement à vitesse variable :

P-

P'

42

75

Interconnexion :

Irradiation :P-

P-

78,

38,

82

57

p. 50

Environnement :

p. 44, 57, 62, 66, 68, 71, Heure Creuse : | W l

83, 85 p. 19, 23, 26

Eolienne : Heure Pleine : Maintenance :

p. 62 p. 26 p. 36, 48, 52, 55, 62

E 3 | F a i t s m a r q u a n t s 1 9 9 6

mmm

Neutronique :

Norme :p.

0Ordinateur Cray :

Oxydation :

PPalier 600 MW :

Palier 900 MW :

P- 34,

Palier 1 300 MW :

PECHINEY :

Plutonium :

p.

Pollution atmosphérique

Pompe à chaleur :

Pompe de circulation :

P-Poste source :

Pressuriseur :

PREUSSENELEKTRA :

19,

38,

p.

30,

P-

25,

p. 40

62,66

p. 42

p. 55

p. 78

46, 78

42, 46

p. 83

55, 75

66,68

p. 25

50, 71

p. 79

p. 42

p. 82

Production :p. 30, 36,

PROMOTELEC :

Puissance électrique

p. 15, 19, 26, 28,

Puissance réactive :

QQualité de l'air :

gBBflBfc.ft

42,

68;

30,

78,

50,

, 78,

P-

40,

79,

P-

Rayonnement infrarouge :

Rayonnement :

Réacteur nucléaire :

p. 34,

Réseau électrique :

p. 25,

Retour d'expérience

p. 14, 28, 38,RWE :

sSCHLUMBERGER :

Sécurité :

p. 38, 40, 42,

P-

36,

46,

34,

46,

78,

15,

38,

55,

73,

48,

80,

55, 58,

79, 80

14, 15

50, 52,

82, 83

40, 78

p. 68

p. 30

19, 30

40, 42,

57,73

82, 83

50, 58

p. 82

p. 79

83, 85

SEE :

SIEMENS :

Simulation :

p. 34, 40, 44,

Surveillance :

p. 34, 36, 46, 48, 52,

TTihange :

46,

75,

55,

Transformateur électrique :

P-Turbine à vapeur :

uUCPTE :

Uranium 235 :

URSS :

VVéhicule électrique :

Ventilateur :

Vitry :P-

p. 48

p. 85

60, 68,

78, 79

58,73

p. 46

73, 79

p. 52

p. 82

p. 38

p. 82

p. 66

28, 50

p. 68

F a i t s m a r q u a n t s J 9 9 6

EDFElectricitéde France

DIRECTION DES ÉTUDES ET RECHERCHES1, AVENUE DU GÉNÉRAL-DE-GAULLE - BP 408 - 92141 CLAMART CEDEX FRANCE TÉL. 01 47 65 58 11 - FAX 01 47 65 49 27 - e.mail elisa.nuc @ der.edfgdf.fr