Les parcs éoliens flottants vont permettre d’élargir la production d’électricité issue d'énergie renouvelable en mer. Le dimensionnement mécanique de ces systèmes éoliens soumis à la sévérité de l'environnement maritime soulève de nombreuses questions. Avec un objectif de tenue en service sur 20 ans, les équipes de recherche en mécanique d’ENSTA Bretagne (laboratoire IRDL) étudient plusieurs points spécifiques d'optimisation de ces systèmes. La plupart de ces projets de recherche ont été initiés avec FEM ("France Energies Marines", Institut de la Transition Energétique dédié aux énergies marines renouvelables). Ils bénéficient des expertises de FEM et de plusieurs partenaires académiques et industriels dont ENSTA Bretagne. L'école d'ingénieurs intervient par exemple pour établir les propriétés de certains matériaux et la sévérité des impacts des vagues, afin d'améliorer la précision des codes de calcul de conception qui seront utilisés par les bureaux d’étude. Les gains de performance concerneront les lignes d'ancrage, les câbles de transport de l'électricité produite et les mâts.
Bien implanté en Europe, l’éolien offshore pourrait atteindre plus de 100 GW à l’échelle mondiale d’ici 2030, dont 10% en éolien flottant.
En localisant les parcs d’éoliennes flottantes dans des zones plus profondes et plus éloignées des côtes (de 50 à 200 m de profondeur) on réussira à exploiter des sites offshores où le potentiel éolien disponible est jusqu’à quatre fois plus élevé que pour les turbines fixes. Cela s’accompagne d’une recherche effrénée afin d’optimiser la tenue en mer des parcs et les performances économiques de cette électricité bleue.
Des chercheurs en mécanique d’ENSTA Bretagne, du laboratoire IRDL (Institut de Recherche Dupuy de Lôme), participent aux programmes de recherche lancés par France Energies Marines dans le cadre du plan d'investissement France 2030, avec des objectifs multiples comme celui de préciser l’amplitude des contraintes dynamiques subies ou de prédire la durabilité en service de matériaux immergés. Les études portent sur les lignes d’ancrage qui maintiennent la position de l’éolienne en mer, les câbles dynamiques qui transportent l’électricité jusqu’à la terre et la résistance des mâts face aux impacts répétés des vagues déferlantes.
3 sujets passés au crible par les chercheurs ENSTA Bretagne-IRDL
Lignes d'ancrage
Caractériser les performances de fibres de nylon torsadées
Câbles de conduite de l'électricité
Mesurer et surveiller leur tenue en service
Mâts
Caractériser les conditions de tenue aux impacts des vagues déferlantes
(1) Utiliser des lignes d’ancrage en polyamide souple (nylon toronné) aux performances durables
L'OBJECTIF INDUSTRIEL
France Energies Marines* : « Les systèmes d’ancrage utilisés pour les éoliennes flottantes diffèrent sensiblement de ceux utilisés par le secteur pétrolier en raison d’une forte dynamique en faible profondeur. L’enjeu est de pouvoir maintenir le flotteur en environnement extrême en limitant la dynamique transmise par les lignes et le déport maximum du flotteur auquel est relié le câble d’export de production. Une des solutions envisagées consiste à utiliser des lignes en nylon capables d’absorber la dynamique mais dont le comportement est fortement non-linéaire et mal connu sur le long terme. »
LES ETUDES CONDUITES
- Dans un premier temps, et en complément des études de vieillissement d’Ifremer, l’équipe ENSTA Bretagne-IRDL a mené une étude innovante et prometteuse de mesure rapide de la fatigue de ces câbles en eau, par caméra infrarouge. Il s’est agi de caractériser finement le comportement dynamique à long terme de ces lignes d’ancrage en fils de nylon torsadés (torons de nylon). Conduit de 2017 à 2020, ce projet (Polyamoor) a permis de mesurer la durabilité en fatigue de câbles nylon et leur déformation (fluage) sous tension sur une durée de 2 à 3 ans. Ces résultats ont conduit à la définition d’une loi de comportement de ce type de câbles, loi qui est à présent utilisable dans un code de calcul de simulation d’éolienne flottante (code « Deeplines »).
Ces recherches ont été réalisée dans le cadre de la thèse de Yoan Chevillote soutenue en 2020 : « Caractérisation du comportement mécanique à long terme et durabilité de câbles d'ancrage en polyamide pour éoliennes flottantes (EMR) ».
- Une seconde étape est en cours (projet Monamoor, de 2020 à 2024). Elle vise à amplifier la compréhension des mécanismes de dégradation de ces lignes en nylon immergées durablement, afin de développer les outils de modélisation mécanique et de déterminer les instruments de surveillance appropriés.
Plusieurs études spécifiques et complémentaires sont conduites pour qualifier en fatigue (tenue dans le temps) et en fluage (déformation) les effets de chargement et de surcharge (tempêtes), pour estimer les propriétés en fatigue liée aux phénomènes de contact et d'abrasion, pour in fine modéliser le comportement cyclique et à long terme des lignes d'ancrage (rupture et perte des tensions installées initialement).
L’étude de modélisation s’attache donc à comprendre la mécanique complexe au sein de la section de ce type de câble (déformations, tensions et frictions à l’échelle des torons), et d’en prédire la friction sur 20 ans. C’est un des paramètres clef de fatigue. Une campagne d’essais de plusieurs mois permettra d’entériner ce modèle numérique de comportement mécanique.C’est l’objet de la thèse de Laure Civier débutée fin 2020 (co-encadrée par ENSTA Bretagne et Ifremer) : « Monitoring of polyamide mooring lines for offshore wind turbines (surveillance des lignes d'ancrage en polyamide pour éoliennes offshore) »
(2) S’assurer de la tenue en service des câbles dynamiques qui conduisent l’électricité vers la terre
L'OBJECTIF INDUSTRIEL
France Energies Marines* : « Les câbles dynamiques sous-marins, nécessaires pour exporter l’électricité produite par tous les systèmes EMR flottants, sont des composants critiques soumis à des contraintes beaucoup plus variées que leurs homologues statiques. Leur suivi en service revêt donc un aspect primordial. Certaines technologies sont utilisées pour la surveillance des câbles sous-marins (DTS, DAS, décharge partielle…), mais elles ont leurs limites et ne sont pas toujours adaptées pour le suivi d’un câble dynamique en opération. »
LES ETUDES CONDUITES
En s’inscrivant dans un programme national plus vaste consacré au dimensionnement et monitoring des câbles sous-marins d’énergie, un consortium s'est constitué (projet DYNAMO, 2020-2022) et se focalise sur les techniques de surveillance des câbles dynamiques, avec l’objectif de proposer à terme un ensemble d’outils et de méthodes pour la maintenance préventive de ces câbles.
Le projet de recherche s'articule en deux objectifs scientifiques principaux :
• établir des recommandations pour optimiser les solutions de suivi en service des câbles sous-marins, à l’échelle de la ferme (du parc en mer jusqu’à la terre)
• proposer une feuille de route pour le développement des technologies prometteuses identifiées.
ENSTA Bretagne-IRDL intervient pour identifier et hiérarchiser les modes de défaillance des câbles dynamiques, induits par des chargements d’origine mécanique ou thermique.
Des essais mécaniques sont conduits pour évaluer la pertinence des techniques de détection des défauts dans le câble. Il s’agit d’essais de fatigue sous chargement de flexion 3 points qui ont été réalisés sur des câble complets. Différentes techniques de mesure ont été mises en œuvre pour rendre compte de l’apparition et de la propagation des défauts dans le câble (basées sur l’émission acoustique, la mesure par fibre optique, la réflectométrie). Par ailleurs, des analyses de faciès de rupture sont prévues pour identifier les scénarios de rupture des câble testés.
Ce travail s’inscrit dans la cadre du post-doc de Issam BENCHEIKH sur « Modes de défaillance et instrumentation de câbles dynamiques sous-marins » débutée en février 2021 pour une durée de 24 mois (co-encadré par ENSTA Bretagne, France Energies Marines et Université Gustave Eiffel).
(3) Caractériser les impacts du déferlement des vagues sur les éoliennes flottantes, pour dimensionner ces plateformes
L'OBJECTIF INDUSTRIEL
France Energies Marines* : « Lors de la conception d’éoliennes offshore pour un site spécifique, les industriels doivent analyser l’état limite ultime (ou ULS) de la structure, c’est-à-dire la réponse maximale attendue des systèmes en mer au cours de leur cycle de vie. L’évaluation de l’ULS semble comporter de considérables incertitudes en raison des impacts de la raideur et du déferlement des vagues aussi appelés ESBW. Comme le montrent les publications du secteur pétrolier offshore et de l’éolien fixe en mer, l’ESBW peut exciter les premiers modes structurels, causer des dommages dus à une excursion verticale de l’eau (run up) ou à la submersion de la plateforme (green water) ou encore entraîner des détériorations locales dues au tossage. La modélisation numérique d’une éolienne offshore flottante à échelle 1 a même montré que les extrémités des pales pouvaient heurter l’eau dans des conditions réalistes d’ESBW. »
LES ETUDES CONDUITES
- En collaboration avec IFREMER et France Energies Marines, ENSTA Bretagne-IRDL prépare la mise en place d'une campagne d'essais en bassin océanique (projet DIMPACT). Elle permettra de mesurer les efforts causés par l'impact de vagues déferlantes sur le mât d'une éolienne flottante. Les données obtenues valideront l'outil de calcul des chargements les plus extrêmes que doit pouvoir supporter une éolienne flottante en mer (calcul de l’« état limite ultime »).
- Afin d'améliorer la formulation des efforts hydrodynamiques qui s'appliquent sur le mât d'une éolienne offshore au passage d'une vague déferlante, un état de l'art a été produit sur les efforts d'impact hydrodynamique dans le cadre de la théorie de Wagner.
- Pour ce projet, ENSTA Bretagne-IRDL co-encadre l'ingénieur de recherche Paul Renaud (avec France Energies Marines) et la thèse de Florian Hulin (avec FEM et Ifremer) débutée début 2021 : « chargements hydrodynamiques induits par les impacts de vagues sur les éoliennes flottantes. »
* Les éléments de contexte sur les objectifs industriels sont extraits du site de France Energies Marines (FEM) : france-energies-marines.org
+ d'infos sur les objectifs industriels et partenaires de ces projets :
- Lignes d'ancrage : projet POLYAMOOR (2017-2020, 6 partenaires, porté par Naval Energies et FEM), suivi du projet MONAMOOR (2020-2024, 13 partenaires, porté par Ifremer et FEM)
- Câbles de conduite de l'électricité : projet DYNAMO (2020-2024, 8 partenaires, porté par EDF et FEM)
- Impact des vagues déferlantes sur les mâts : projet DIMPACT (2020-2023, 17 partenaires, porté par FEM)
