Quand EDF duplique ses centrales nucléaires

C'est le fer de lance de l’industrie 4.0. Utilisé pour améliorer le rendement d’une ligne de production ou l’efficacité d’un avion, le jumeau numérique séduit de nombreux industriels. EDF n’y coupe pas. Le producteur et fournisseur d’électricité y voit un moyen d’optimiser l’exploitation et la maintenance de ses centrales nucléaires. Et d’allonger leur durée de vie. Le 22 septembre, le groupe a d'ailleurs annoncé un nouveau partenariat - avec Framatome, le CEA, le CNRS et cinq autres partenaires - visant à créer le jumeau numérique de complet toutes ses centrales. 

"Le jumeau numérique est avant tout le modèle digital d’une partie physique d’une centrale, précise Alain Le Gac, le directeur de la R & D pour la production du groupe. Il est nourri en temps réel par les données de son jumeau physique, la vraie centrale nucléaire." 

Le géant français de l’énergie a initié, fin 2016, un vaste programme de développement de jumeaux numériques de ses centrales françaises. La première étape de ce plan doit aboutir, fin 2020, à la création de jumeaux partiels des 58 réacteurs qu’EDF exploite sur le territoire. "Cela nous permet de développer des outils d’aide au pilotage des centrales, mais aussi de mener des opérations de prédiction de maintenance, souligne Alain Le Gac. Avec le numérique, nous pouvons accélérer le temps et jouer une infinité de scénarios."

Grâce à cette capacité à maîtriser le temps et les aléas dans un environnement artificiel, il devient possible d’anticiper l’imprévisible, de la catastrophe nucléaire au remplacement d’un tuyau.

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220 générateurs numérisés

Pour mettre en place ce programme, le groupe s’entoure de nombreux partenaires – comme le CEA, Framatome et l’expert américain de la simulation numérique Ansys. "Nous avons une activité de co-innovation avec EDF depuis une dizaine d’années, rappelle Éric Bantegnie, le vice-président de l’unité systèmes d’Ansys. Nous avons étendu cette collaboration à la conception et à la maintenance du jumeau numérique de certains organes vitaux des centrales." L’expert américain s’intéresse notamment à l’alternateur, ce système complexe qui convertit l’énergie mécanique en énergie électrique. "Notre approche du jumeau numérique est pragmatique, assure-t-il. Nous nous intéressons d’abord aux éléments critiques, comme l’alternateur, mais aussi aux éléments récurrents, comme les pompes et les valves." Cette hiérarchisation des éléments permet d’obtenir un retour sur investissement rapide. Objectif, observer le vieillissement du système afin de l’anticiper et de planifier en amont les opérations de maintenance.

"Notre but est d’obtenir un jumeau numérique sophistiqué qui prenne en compte les données réelles des machines pour voir si elles ont subi des dégâts, explique Alain Le Gac. L’enjeu financier est important, souligne-t-il. Nos développements coûtent environ 35 millions d’euros par an."

Prenant l’exemple des générateurs de vapeur, qui font la liaison entre la réaction atomique et la production d’électricité, il illustre : "Nous avons 220 générateurs. Chacun est numérisé avec ses données propres, son historique de maintenance, mais aussi la chimie de l’eau qu’il utilise." La modélisation fine des réactions chimiques et physiques qui régissent son fonctionnement – et son encrassement – s’appuie sur un programme de R & D de cinq ans, lancé il y a deux ans. "Nous ne travaillons jamais seuls, raconte Alain Le Gac. Nous sommes en collaboration avec le CEA et avec Framatome pour éviter de faire la même chose chacun dans notre coin." Ensemble, les experts du nucléaire développent des briques technologiques comprenant des codes de calcul scientifique complexes qui représentent des réactions chimiques, des règles techniques, voire le comportement du bâtiment dans le temps [lire l’encadré].

Simuler la totalité d’un réacteur

Si cette collaboration avec les autres experts du nucléaire français est active sur les questions scientifiques, elle n’empêche pas EDF de développer ses propres outils. Et d’en faire une exploitation commerciale. C’est le cas avec Metroscope, une start-up fondée en 2018 par trois chercheurs du groupe. "Nous avons développé un logiciel qui observe le comportement du circuit secondaire de la centrale [qui transforme la chaleur en électricité, ndlr] et qui le compare à son jumeau numérique pour établir un diagnostic", explique Aurélien Schwarz, le directeur général et cofondateur de la jeune pousse. Exploitant la maquette numérique, les capteurs et l’historique d’une centrale pour en créer son double numérique, la solution de Metro­scope peut simuler différents comportements et aléas. "Deux approches technologiques travaillent de concert, expose le directeur général. Les lois physiques, intégrées au jumeau numérique, et des réseaux bayésiens, des structures proches des réseaux de neurones." Grâce à ce savant mélange, le logiciel est à même d’anticiper les opérations de maintenance, mais aussi d’augmenter les performances d’une centrale électrique, quel que soit son type. "L’optimisation nous permet d’aller chercher 2 mégawatts supplémentaires dans une centrale qui en produit 1 000, affirme-t-il. Cela correspond à l’alimentation en électricité de plusieurs milliers de personnes."

Pour répondre à l’enjeu majeur de l’optimisation de la production et de la maintenance, EDF se lance, avec Framatome, le CEA, le CNRS et cinq autres partenaires, dans un nouveau programme ambitieux. Un Projet structurant pour la compétitivité (PSPC), d’une durée de quatre ans, qui rassemble plus de 100 experts au centre de recherche EDF Lab, à Paris-Saclay (Essonne). "Nous allons beaucoup plus loin que ce qui est fait actuellement, se réjouit Alain Le Gac. Nous voulons simuler la réaction nucléaire, la structure physique de la centrale, les flux thermo-hydrauliques, la circulation de l’eau dans les circuits…" En bref, créer le jumeau numérique complet et fidèle de chaque centrale nucléaire du groupe.