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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.
Caractériser les performances de fibres de nylon torsadées
Mesurer et surveiller leur tenue en service
Caractériser les conditions de tenue aux impacts des vagues déferlantes
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. »
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) ».
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) »
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. »
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).
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 éléments de contexte sur les objectifs industriels sont extraits du site de France Energies Marines (FEM) : france-energies-marines.org
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