Les éoliennes tournent en mer et tous les regards se tournent vers cette filière. Dans le contexte de la transition énergétique, l'éolien offshore a en effet de nombreux atouts à offrir. Si son fonctionnement est identique à l'éolien terrestre – à savoir capter l'énergie du vent pour la transformer en électricité - il bénéficie des vents du large plus réguliers et plus intenses. Résultats : l'éolien flottant permet encore d'accroitre ce rendement, tandis que sa situation en mer, limite les nuisances sonores et visuelles, plus redoutées sur la terre ferme.

De fait, le marché de l'éolien en mer connaît une croissance exponentielle, partout dans le monde, Europe en tête. Et pour cause : pour atteindre la neutralité carbone espérée en 2050, l'Union européenne s'est engagée à soutenir le développement de la filière. Objectif : porter la capacité européenne de production éolienne en mer de 12 GW actuellement à au moins 60 GW d'ici à 2030 et à 300 GW d'ici à 2050. Soit 25 % de sa production d'électricité. La France, dans le cadre de sa Programmation Pluri annuelle de l'Energie (PPE), vise quant à elle une capacité installée d'éolien en mer de 2,4 GW en 2023 et environ 5 GW en 2028. Cette capacité prévoit une part d'éolien flottant, qui sera appelé à augmenter à partir de 2028.

"Floating wind turbines will allow access to areas where fixed offshore wind turbines cannot go" explains Eve Dufossé, head of the Renewable Energies programme at EDF R&D. A “fixed” wind turbine involves installing the foundations of a wind turbine on the seabed, at a depth of between 50 and 60 metres. This is why they have mainly proliferated in shallow marine areas, such as those of the North Sea... A floating wind turbine is free from this depth constraint. Its design principle? The wind turbine (turbine, mast and blades) is mounted on a floating foundation, the whole unit is constructed and assembled in port, then towed to its operating location before being tied to the seabed with anchoring lines.

Compared to classic solutions, the floating wind turbine allows projects to be installed in areas of great depth, further from the coast or with more wind. The majority of floating projects constructed or under construction are in less than 200m of water, but much deeper sites are being studied. In doing so, “it multiplies the potential of offshore wind turbines” says Eve Dufossé. In order to take advantage of these favourable conditions on a large scale, a number of obstacles still need to be overcome. “The field of possibilities is vast... the limit is in our ability to bring the energy ashore and to install and exploit infrastructures the size of the Eiffel Tower, at several dozen kilometres from the coast”

Objective: taking the leap forward to large scale industrialisation. R&D has been working on this for several years, in support of various projects carried out by EDF Renewables in France. Among them: Provence Grand Large (PGL), a pilot industrial park, unique in the world. With 3 floating wind turbines of 8 MW in the Mediterranean, it is expected to be commissioned in 2022. Our programme consists mainly of “de-risking” this technology. Making a wind turbine float remains a challenge, as factors causing instability are numerous: movement of the blades and the sea, height and weight of the turbine. It is a question of choosing the right float and we are studying several technologies using a tool that models the wind turbine in operation which allows us to test the different alternatives in the least favourable conditions. The environment is also one of the key subjects of R&D in this field: impact on the seabed and on birdlife, consequences of bio-fouling (formation of a troublesome layer of living organisms on the surface of the float) on the weight and therefore the equilibrium of the floats. In the longer term, R&D also predicts problems linked to their maintenance and ageing.

In France, seven offshore wind turbine projects planned by the PPE are under development, and calls for tenders for floating wind turbines are increasing “Faced with the drastic drop in the number of onshore, solar and fixed wind turbines, the floating wind turbine has a challenge to survive in order to stay in the race... And in this context, EDF's ambition is to gain a significant market share”. But beyond the commercial issues, it is a question of helping the sector to gain in maturity by pooling expertise, so that energy companies and the entire value chain of suppliers and service providers have the ability to learn about floating wind turbines. EDF has therefore joined forces with France Energie Marine, a research institute dedicated to marine renewable energy. Created in 2012, this purpose of this ITE is to consolidate French academic and industrial research into the development of offshore wind turbines.

EDF R&D and the offshore floating wind turbine, discover the story of Eve Dufossé, Manager of the Renewable Energy at EDF R&D

L'éolien offshore flottant est une technologie récente qui entraîne dans son sillage tout un cortège d'acteurs : développeur de flotteurs, turbiniers... Les premiers prototypes ont été développés en 2009 en Norvège, puis au Portugal, au Japon et en France. EDF Renouvelable s'est rapidement positionné sur ce marché, avec notamment un projet d'installation de 3 éoliennes flottantes au large de Marseille qui devrait voir le jour en 2022. En attendant cette étape de démonstration, la simulation numérique s'avère plus rapide et moins coûteuse que les tests sur des prototypes ou les essais en bassin. Notre rôle à la R&D est de guider les entités opérationnelles dans le choix des meilleures technologies, en termes de performances comme de coût.
 

Quelles sont les spécificités de cette technologie en termes de simulation numérique ?

L'éolien offshore flottant est à la croisée de deux industries : celle de l'électricité (en utilisant l'énergie du vent), où l'on étudie une machine qui tourne sur un mat d'éolienne, et celle du pétrole offshore qui modélise des systèmes qui bougent dans les vagues. D'un point de vue numérique, il faut donc combiner les deux types de modèles pour s'assurer que le système va résister aux contraintes qui vont s'appliquer sur lui. Pour cela, nous avons développé au sein de la R&D une chaine de calcul baptisée DIEGO, qui nous permet de vérifier un certain nombre de points, comme la stabilité du système (en fonction du design du flotteur, du poids de la turbine, on s'assure que l'ensemble ne va pas se renverser), son comportement dynamique aux vagues, son design structurel et sa résistance en conditions extrêmes (tempêtes), mais aussi sa résistance dans le temps à des micro-sollicitations répétées (calcul de fatigue). Nous pouvons ainsi comparer les différentes technologies de flotteurs proposées sur le marché.

Nous avons commencé à travailler sur l'éolien flottant en 2011 à la R&D. A cette époque, il était question d'installer des éoliennes à axe vertical, contrairement aux éoliennes terrestres traditionnelles, dont l'axe est horizontal. Sur le papier, l'axe vertical présentait en effet plusieurs avantages pour l'éolien flottant car il permettait d'utiliser des flotteurs plus petits et supportait mieux l'inclinaison. Lorsque EDF Renouvelables nous a mobilisé sur ce projet, il n'y avait aucun outil pour modéliser ce type d'éolienne sur un flotteur. Nous avons donc construit un cœur de calcul qui s'est petit à petit transformé en simulateur complet d'éolienne flottante. Six ans plus tard, cette technologie a été abandonnée au profit des éoliennes à axe horizontal pour des raisons de coût et de maturité industrielle. Il a fallu retravailler sur le code… mais nous disposons désormais d'un outil qui nous permet de traiter n'importe quel type d'éolienne. Nous nous attachons maintenant à le rendre plus facile à utiliser pour les unités d'ingénierie. Cela passe par une interface plus accessible et plus pratique. Un développement qui nécessite une démarche itérative avec les utilisateurs.

Quelles seront les prochaines étapes ?

Outre l'amélioration de la prise en main de cet outil, il s'agit de mieux cerner ses limites… pour l'optimiser. Aujourd'hui, du fait du nombre très important de critères à prendre en compte (la direction du vent, sa vitesse, les bourrasques ; idem pour les vagues : leur direction, leur hauteur, les courants marins, la marée…) nous travaillons sur des modèles simplifiés pour que la chaîne de calcul puisse tourner assez vite. Il faut donc maintenant la comparer avec des outils plus précis pour évaluer son degré d'incertitude, et lorsque que celui-ci est trop important sur certains points, proposer des améliorations tout en restant simple et rapide. C'est un processus d'amélioration continue, qui peut nous amener parfois à remanier considérablement ce qui a été fait jusque-là. A moyen terme, la chaîne de calcul Diego servira aussi au développement d'un jumeau numérique, sorte de réplique numérique d'une éolienne flottante physique, qui pourra être utilisée pour optimiser la maintenance de l'ensemble, ou encore pour trouver des marges de dimensionnement afin de réduire les coûts. A plus long terme, nous envisageons également de faire appel à l'intelligence artificielle pour analyser les données issues des prototypes qui seront installés au large de Marseille dans le cadre du projet Provence Grand Large. Notre approche via la chaîne Diego consiste à étudier le système à partir de nos connaissances. L'intelligence artificielle peut être mobilisée quant à elle pour apprendre de l'expérience dans une approche plus heuristique, en ordonnant toutes les données issues de l'observation sur le terrain (par exemple, j'ai un problème qui apparaît toutes les six heures, j'en déduis qu'il est peut-être lié à la marée). Deux approches très complémentaires, qui témoignent de l'apport des outils numériques pour répondre aux enjeux de la transition énergétique !

* LNHE : laboratoire national hydraulique et environnement