Éolien flottant : de nouveaux horizons pour l’éolien en mer

Installer des éoliennes loin des côtes pour capter la puissance régulière des vents du large et s'affranchir des contraintes de profondeur du plancher marin… c'est le défi de l'éolien en mer (offshore) « flottant ». Il mobilise la R&D depuis 2011. Une solution d'avenir qui contribuera grandement à la transition énergétique. Objectif : soutenir le développement des projets d'EDF Renouvelables et contribuer à l'émergence de la filière.

Éolien offshore : un maillon fort de la transition énergétique

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.

Éolien flottant : de nouvelles perspectives

L'éolien flottant va permettre d'accéder à des zones où l'éolien offshore posé ne peut pas aller. L'éolien « posé » consiste à installer les fondations d'une éolienne dans le fond marin, à une profondeur comprise entre 50 et 60 mètres. Raison pour laquelle il a majoritairement proliféré dans des domaines marins peu profonds, comme ceux de la Mer du Nord… L'éolien flottant s'affranchit de cette contrainte de profondeur. Son principe ? L'éolienne (turbine, mât et pales) est montée sur une fondation flottante ; l'ensemble est construit et assemblé au port, puis remorqué jusqu'à son lieu de production avant d'être relié au fond marin par des lignes d'ancrage.

En complément des solutions classiques, l'éolien en mer flottant permet l'installation de projets sur des zones de grandes profondeurs, plus loin des côtes ou plus ventées. La plupart des projets flottants réalisés ou en cours le sont dans moins de 200m d'eau, mais des sites beaucoup plus profonds sont à l'étude. Ce faisant, il démultiplie les gisements de l'éolien offshore. Pour capter massivement ces conditions avantageuses, des verrous doivent encore être levés. Le champ des possibles est vaste… La limite repose sur notre capacité à rapatrier l'énergie et à installer et exploiter des infrastructures de la taille de la Tour Eiffel, à plusieurs dizaines de kilomètres du littoral.

Un défi technologique en mouvement

Objectif : franchir le cap d'une industrialisation à grande échelle. La R&D y travaille depuis plusieurs années, en appui aux différents projets portés par EDF Renouvelables en France. Parmi eux : Provence Grand Large (PGL), un parc industriel pilote, unique au monde. Doté de 3 éoliennes flottantes de 8 MW en Méditerranée, sa mise en service est attendue pour 2022. Notre programme consiste prioritairement à « dé-risquer » cette technologie. Faire flotter une éolienne reste un défi, car les facteurs de déstabilisation sont nombreux : mouvement des pales et de la mer, hauteur et poids de la turbine. Il s'agit de choisir le bon flotteur et nous étudions plusieurs technologies via un outil de modélisation de l'éolienne en fonctionnement qui nous permet tester les différentes alternatives dans les conditions les moins favorables. L'environnement constitue également l'un des sujets phare de la R&D en la matière : impact sur les fonds marins et sur l'avifaune, conséquences de l'encrassement biologique ou « biofouling » (formation d‘une couche gênante d'organisme vivant sur la surface du flotteur) sur le poids et donc l'équilibre des flotteurs. À plus long terme, la R&D anticipe aussi les problématiques liées à leur maintenance et à leur vieillissement.

Une recherche mutualisée

En France, sept projets d'éolien offshore prévus par la PPE sont en cours de développement, et les appels d'offres sur le flottant se multiplient. Face à la baisse drastique des coups sur le terrestre, le solaire et l'éolien posé, l'éolien flottant à un enjeu de survie pour rester dans la course… Et dans ce contexte, EDF a pour ambition de gagner des parts des marché significatives. Mais au-delà des enjeux commerciaux, il s'agit d'aider la filière à gagner en maturité en mutualisant les expertises, pour que les énergéticiens et toute la chaine de valeur de fournisseurs et de prestataires aient la capacité d'apprendre sur l'éolien flottant. EDF s'est ainsi associé à France Énergie Marine, un institut de recherche dédié aux énergies marines renouvelables. Crée en 2012, cet ITE a pour vocation de fédérer la recherche française académique et industrielle autour du développement de l'éolien offshore.

Vignette de la vidéo : La R&D et l'éolien offshore flottant

La R&D et l'éolien offshore flottant
Durée : 1:29

 

Les ports : des plateformes de conception stratégiques

Les infrastructures portuaires sont appelées à jouer un rôle très important dans le développement de l'éolien flottant. Site d'accueil et de construction des éoliennes, elles devront acquérir les compétences logistiques adhoc pour gérer non seulement la construction en série de flotteurs et d'éoliennes, mais aussi les stocks de matériels pour des parcs qui pourront aller jusqu'à 100 éoliennes. Un sujet crucial qui implique les territoires.

 

Le numérique au service de l'éolien offshore flottant

Modélisation, chaînes de calcul, jumeau numérique, mais aussi intelligence artificielle… le numérique est au cœur de la recherche sur l'éolien offshore flottant, que ce soit pour le design du flotteur, la compréhension des mécanismes en jeu, la surveillance ou encore la maintenance … Le point avec Christophe Peyrard, ingénieur chercheur expert au sein du département LNHE* à la R&D d'EDF, en charge de la simulation numérique sur les fondations éoliennes flottantes.

Comment avez-vous été amené à travailler sur l'éolien offshore flottant chez EDF ?

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.

Comment avez-vous procédé ?

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

Des lignes aériennes à l'éolien offshore flottant, en passant par l'hydrolien...
Itinéraire d'un passionné des interactions fluides-structures

Son diplôme d'ingénieur de l'Ecole des Ponts et Chaussées en poche, Christophe Peyrard effectue son stage de fin d'études à la R&D d'EDF, attiré autant par les problématiques techniques abordées que par la qualité des chercheurs qu'il sera amené à y côtoyer. En 2005, il intègre dans la foulée de son stage le département THEMIS, devenu ERMES aujourd'hui, pour travailler sur les lignes aériennes, plus spécifiquement sur la résistance des pylônes électriques et les vibrations des câbles.

Lorsque l'éolien commence à se développer, il s'intéresse aux interactions fluides-structures : d'abord le vent, puis les vagues… ce qui l'amène à rejoindre les équipes du Laboratoire national hydraulique et environnement (LNHE) en 2011. Il y travaille sur l'hydrolien, une technologie qui consiste à exploiter les courants marins pour produire de l'énergie, puis s'intéresse aux modèles de vagues pour la protection des installations côtières d'EDF, cultivant ainsi son appétence pour l'étude des forces hydrodynamiques appliquées aux structures. En 2012, il se tourne vers l'éolien flottant. « On ne savait pas trop ce que ça allait donner au début et nous n'étions pas nombreux à travailler dessus, nous n'avions pas beaucoup de temps réservé sur le sujet… Puis dans les années 2015, le projet a commencé à grossir. Il occupe désormais 100% de mon temps et mobilise l'équivalent de trois autres personnes à la R&D ».

En tant que pilote de l'activité sur les fondations flottantes, son travail consiste aujourd'hui à coordonner les études sur le sujet en fonction des besoins exprimés en interne. « Cela m'a permis d'avoir une vision plus large du sujet, qui recouvre à la fois des aspects techniques mais aussi le contexte industriel et les enjeux économiques. Il faut se tenir au courant des dernières technologies, connaître les acteurs, pour donner le maximum d'informations aux entités opérationnelles afin de les aider à identifier les meilleures technologies ».

Sa motivation ? Elle est double : « Les énergies renouvelables sont amenées à prendre de plus en plus de place dans le contexte de la transition énergétique. C'est très motivant de se dire qu'on contribue à sa petite échelle aux enjeux climatiques. Mais le challenge est aussi technique : les phénomènes en jeu dans l'éolien flottant sont très complexes et touchent à plusieurs pans de la physique. Cette approche pluridisciplinaire favorise le travail en équipe, et c'est passionnant ! Sans compter l'aspect modélisation numérique, un domaine très innovant dans lequel on apprend tous les jours et où tout est à construire ! »