Tours de puissance : grandes grues à flèche relevable pour les travaux sur les éoliennes

Le JLD1700 de Jinli Heavy Industries installe une turbine de 2 MW à 95 mètres de hauteur. Photo : HG Kessel

Au début de l'utilisation des grues à tour pour les projets de parcs éoliens, ce type de grue a été testé comme alternative aux grandes grues à flèche en treillis mobiles, sur des sites où l'espace et l'accès étaient restreints, écrit Heinz-Gert Kessel.

L'objectif était d'obtenir une capacité élevée avec une courte portée. La conversion d'une grue à tour standard pour charges lourdes en grue d'installation d'éoliennes n'a nécessité que quelques modifications de conception. La Liebherr 630 EC-H70 de l'entreprise de construction allemande Max Bögel en est un bon exemple. Elle est équipée d'une flèche courte renforcée et d'un chariot spécial pour plusieurs brins de câble, ce qui lui permet de supporter la charge requise de 70 tonnes, contre 50 tonnes pour la version standard.

En Chine, les grues à tour à flèche relevable haute capacité de la série FZQ de 130 tonnes, initialement conçues pour la construction de chaufferies de centrales électriques, ont été réadaptées à l'installation d'éoliennes. Pour les deux concepts, l'un des principaux aspects de conception était de minimiser les caractéristiques spécifiques afin de les adapter rapidement aux projets de construction généraux hors du secteur de l'installation d'éoliennes.

Dès sa première application prototype, cette approche a toutefois mis en évidence son principal inconvénient. La grue avait été initialement conçue pour un projet d'une durée minimale de 3 à 5 mois. Les délais de mobilisation et de démobilisation ne pouvaient en effet jamais rivaliser économiquement avec ceux des grues mobiles à montage rapide sur des chantiers d'éoliennes qui ne durent généralement qu'une semaine.

L'adaptation du concept standard de grue à tour pour faciliter le transport et accélérer le montage est devenue un élément essentiel de l'évaluation de la viabilité des grues à tour pour éoliennes. Une première avancée chez le fabricant Liebherr a été la conception d'une grue à toit plat, remplaçant la flèche à selle standard avec tête de mât et suspensions. Cela a permis de réduire le temps d'installation de la partie supérieure de la grue.

Différents luffers

Au Danemark, Krøll a développé une conception alternative de fléchette relevable, éliminant le long mouflage du câble de relevage. La bride pré-moulée pouvait reposer sur le cadre en A, auquel était également fixé le treuil de relevage. Un releveur permet de transformer la portée de la flèche en hauteur de levage. C'est une solution brillante et rapide pour gagner de la hauteur sous crochet.

Krøll a réalisé pour la première fois une hauteur sous crochet supplémentaire lors de l'introduction de la section distinctive de pointe de flèche à nez de flèche pour offrir plus de dégagement par rapport à la charge à la hauteur maximale sous crochet.

Ces deux concepts ont ensuite été intégrés à toutes les grues à tour pour éoliennes chinoises commercialisées ultérieurement. Parmi celles-ci figuraient des grues similaires de Jinli Heavy Industries, XCMG, Yongmao, Sany et Zoomlion.

Train d'atterrissage Zoomlion LW2340-180 sur un projet éolien en montagne. Photo : HG Kessel

La grue Yongmao STF3080, d'une capacité de 200 tonnes et d'une hauteur sous crochet de 200 mètres, intègre des caractéristiques de conception communes, mises au point par Krøll. Photo : HG Kessel

Selon les dimensions du mât, la hauteur libre maximale sous crochet des grues éoliennes à flèche relevable et à rotation supérieure est généralement comprise entre 180 et 200 mètres. La capacité de charge est généralement comprise entre 180 et 200 tonnes.

Au-delà de 140 tonnes de capacité de levage, les composants de la grue sont généralement surdimensionnés pour le transport. L'un des avantages des grues à tour relevables par rapport aux grues à tour conventionnelles est qu'elles nécessitent moins de sections de mât pour atteindre la hauteur de levage requise. Elles permettent également de gagner du temps lors de l'installation de la grue sur vérin.

Les grues à tour autoporteuses offrent généralement la plus grande flexibilité pour la conception des tours d'éoliennes. Cependant, à mesure que les éoliennes deviennent plus hautes, il faut utiliser des sections de mât plus coûteuses et plus résistantes. Dans de nombreux cas, cela implique un temps de montage plus long et des charges de transport plus importantes, ce qui augmente encore le coût de mobilisation.

La base de la grue à tour présente néanmoins un inconvénient majeur par rapport à une grande grue mobile à flèche en treillis. Les grues mobiles peuvent généralement être déplacées d'une éolienne à l'autre, au moins partiellement gréées. Une grue à tour doit être entièrement démontée, y compris sa base, imposante et lourde.

Pour accélérer le processus, deux bases de grue à tour peuvent être utilisées sur les projets éoliens. Pendant que l'une est en service, la seconde peut être réinstallée sur le chantier suivant. Un tel concept de grue ne sera évidemment pas aussi économique qu'il devrait l'être. Plus récemment, des bases de grue à tour mobiles spéciales ont été conçues ou sont en cours de développement. La réussite de ces conceptions en conditions réelles dépendra de la taille de la grue et de la solution technique choisie.

Façons de se déplacer

Au Japon, deux concepts de mobilisation de grues à tour ont été prototypés. Ils intègrent un transporteur modulaire automoteur à roues (SPMT) pour le déplacement des grues à tour d'éoliennes. Shimizu Corporation a finalisé sa grue à tour mobile S-movable. Il s'agit d'une grande grue à tour mobile de classe 1 800 tonnes-mètres destinée à l'installation d'éoliennes terrestres de 5 à 7 mégawatts.

Conçue pour résister aux tremblements de terre, cette nouvelle grue lève 145 tonnes dans un rayon de 12,5 mètres et atteint une hauteur de 152 mètres. Elle est ainsi la plus grande et la plus haute grue à tour autoportante du Japon. Fruit d'une collaboration entre SC Machinery et IHI Transport Machinery, elle est également capable de soulever des charges de 145 tonnes dans un rayon de 12,5 mètres et d'atteindre une hauteur de 152 mètres.

Les essais sur le terrain du concept de grue sont en cours et les entreprises testent son déplacement à l'aide de SPMT dans le district de Shingu, au Japon, du côté du chantier naval de Kure. La grue supérieure reste entièrement installée ; il suffit alors de descendre jusqu'à sa position la plus basse, puis de déconnecter les diagonales et les pieds de la base. La grue est alors prête à être déplacée rapidement vers le site suivant. Selon Shimizu Corporation, le cycle de déplacement est réduit d'environ six jours.

Les grues utilisant un type traditionnel japonais de tour cylindrique qui absorbe la pression du vent et permet en même temps de grimper au système de tour grâce à un support de couronne d'orientation compact, sont montées sur un piédestal en forme de croix à quatre pieds spécialement développé.

Grue à tour mobile IHI S avec pieds installés. Photo : HG Kessel

Escalade plus sûre

La méthode japonaise d'insertion des sections de mât dans la couronne d'orientation offre un réel avantage en termes de sécurité lors des montées par mauvais temps. Elle permet également de hisser la grue sur un mât de même taille, à très basse altitude. Le mât, haut de 97,50 mètres, est composé de 14 sections. Grâce à cette méthode japonaise, un maximum de trois sections de mât peuvent être insérées en une seule fois dans le dispositif d'escalade, réduisant ainsi le nombre de connexions à réaliser lors de l'exploitation d'un parc éolien.

Pour atteindre une hauteur libre de 97,50 mètres, sur une base de 2,45 mètres carrés (optimisée pour le transport), des contreventements diagonaux ont dû être ajoutés à la tour, installés par la grue elle-même. La connexion de cette structure tubulaire à la tour centrale est assurée par un dispositif d'installation rapide breveté, accessible depuis l'intérieur de la tour et en toute sécurité.

Contrairement aux grues à tour d'installation d'éoliennes européennes et chinoises, ces haubans très longs limitent considérablement la déflexion du mât d'une grue autoporteuse. Contrairement aux grues de construction standard, le nombre d'étapes de levage le long de la tour pour la soulever a été réduit grâce au développement d'un nouveau dispositif de levage hydraulique rapide.

Lors du déplacement de la grue, la partie centrale de la base transversale repose sur le SPMT grâce à un support spécial. Après avoir déconnecté les parties extérieures des pieds pour réduire la largeur de transport de la grue, les imposants patins de stabilisation sont montés sur le SPMT comme lest pour compenser le centre de gravité de la grue.

De plus, lors du déplacement de la partie supérieure de la grue, y compris sa flèche de 55,55 mètres et tous les câbles maintenus en place, le pont des machines sera fixé à la plateforme SPMT par des câbles d'arrimage spéciaux. Si la grue sera généralement manœuvrée depuis la cabine spacieuse et confortable du grutier, elle peut également être commandée à distance depuis le sol ou depuis l'éolienne.

À long terme, IHI prévoit une demande croissante pour ces grues à tour de grande capacité. Au Japon, contrairement à l'Europe et à la Chine, les éoliennes plus modestes, avec un moyeu de 100 à 120 mètres de hauteur et une puissance de 4 à 5 mégawatts, sont plus courantes. L'expérience européenne avec les grues à tour pour le montage des éoliennes a déjà démontré que la capacité requise et la hauteur de levage des grues augmentent rapidement, au point que les grues ne peuvent pas être trop grandes.

La partie supérieure de la grue IHI prête à être transportée sur SPMT. Photo : HG Kessel