Eolien flottant : toutes les plates-formes

UNION EUROPÉENNE - 29/07/2011 - 3B Conseils -
Par Francis Rousseau
Les éoliennes flottantes permettent de générer de l'électricité partout où les fonds sont compris entre 50 et 300 m, ce qui peut arriver quelquefois à une distance très proche des côtes, quand le plateau continental plonge soudainement, comme c'est le cas dans de nombreux pays européens de la côte Atlantique. A ces profondeurs, l'éolien posé n'est pas envisageable et seul l'éolien flottant présente une solution fiable. Ce concept d'éolienne flottante en eaux profondes a été proposé pour la première fois officiellement par des chercheurs de l'Université du Massachusetts (UMASS) en 1972. Selon un rapport américain établi par le National Renewable Energy Laboratory (NREL) : " Il a fallu attendre le milieu des années 1990, c'est-à-dire un certain temps après que l'industrie éolienne terrestre ait été bien établie, pour que ce sujet de recherches soit repris par la communauté scientifique". Jusqu'en 2003, l'implantation d'éoliennes offshore a été limitée par l'emploi des fondations de type "posées" dont l'emploi est réservé à des profondeurs d'eau n'excédant pas 30 mètres. Depuis 2003, de nombreux développeurs à travers le monde se sont intéressés aux plates-formes éoliennes flottantes. On répertorie aujourd'hui quatre principaux types de plates-formes éoliennes flottantes en eau profonde qui constituent une technologie très différente des fondations posées dont j'ai parlé dans un article du 1 juin 2011

4 GRANDS TYPES DE FONDATIONS FLOTTANTES

1. "Plate Forme Spar " : fondation immergée à ballast stabilisé, dotée d'ancrages caténaires permettant de la fixer par simple accrochage au fond marin. C'est le principe appliqué par Hywind pour StatoilHydro, Technip et Siemens au large de la Norvège (cf. article du 24 juillet 2009). Un premier démonstrateur expérimental a été installé en 2009 au large de Stavanger par 220 m de fond et supporte une turbine Siemens de 2,3 MW ; la fin de sa période d'essais de 2 ans doit s'achever incessamment. Le cylindre d'acier de 100 m de long qui constitue cette première fondation "Spar" a été remorqué horizontalement dans un fjord norvégien puis lesté sur place avec de l'eau et de la roche pendant que deux engins de levage flottant y installaient le mât de l'éolienne et la turbine. Le coût total selon Statoil a été de $72 millions. Comme le schéma le montre clairement, cette fondation, bien que lestée et totalement immergée, ne repose pas directement sur le fond de l'océan ; elle flotte et est rattachée au fond par des câbles disposant d'une certaine souplesse de mouvement et fixés à des ancres.

2. Plate forme TLP (Tension Leg Platform) ou "plates-formes sur jambages tendus" : plate-forme immergée et reliée au fond marin par des câbles tendus (d'où le nom) ancrés à des piliers mi-enfouis dans le fond marin et non à des ancrages caténaires. Les câbles qui relient la plate-forme flottante au fond se tendent et se détendent plus ou moins en fonction des mouvements de la houle : c'est le principe appliqué par Blue H Technologies pour son prototype décrit dans mon article du 17 octobre 2008. La première phase d'essai de cette plate-forme a commencé en 2008, après divers pourparlers non aboutis, avec l'installation d'une première structure expérimentale supportant une turbine bipale, au large des côtes italiennes par 113 m de fond dans le cadre du Projet Tricase. C'était la première fois au monde qu'une plate-forme flottante était testée. Elle a été démontée 6 mois tard. Parallèlement Blue H commençait la phase 2 de développement qui prévoyait la construction d'une nouvelle plate-forme flottante destinée à supporter une éolienne de 2 MW, livrable en 2012, toujours dans le cadre du Projet Tricase. La phase 3 est prévue pour 2014 avec le déploiement en haute mer du concept final à savoir une plateforme Blue H - TLP au design plus arrondi (cf. photo) supportant une turbine fabriquée par une tierce partie encore non définie.

3. "Plate forme semi sub" ou à flottabilité stabilisée. C'est une plate-forme qui, comme son nom l'indique, est semi-submergée donc semi-visible en surface ; elle utilise un dispositif de type «barge» ancré au fond par des câbles grâce à des ancrages caténaires. C'est le principe appliqué sur la spectaculaire plate-forme flottante triangulaire WindFloat par le développeur américain Principle Power Inc. qui travaille en ce moment même d'arrache-pieds, si je peux dire, avec Energias de Portugal (EDP) et ASM GROUP pour permettre une première mise à l'eau de ce modèle au large du Portugal sur des fonds de 43 mètres, vraisemblablement au début ou dans le courant du mois de septembre 2011. Cette plate-forme flottante triangulaire est une déclinaison innovante des plates-formes semi-submersibles issues de l'industrie du pétrole et du gaz ; elle est exploitable par n'importe quel hauteur de fond et se caractérise par une structure composée de trois colonnes en acier léger qui la rend particulièrement stable et résistante aux conditions les plus extrêmes. Comme la majorité des autres plates-formes flottantes, la plate forme WindFloat de type "semi sub" sera attachée au fond marin avec quatre câbles. Cette structure estimée à $ 23 millions a été élaborée pour recevoir un système éolien qui comprendra un mât de 67 mètres de hauteur et, dans un premier temps, une turbine Vestas Wind V80 de 2,0 MW. Dans un premier temps car Dominique Roddier, directeur technique de ce projet chez Principle Power, laisse clairement entendre que " Cette plate forme va bouleverser à terme le monde de l'éolien offshore ". Si l'expérimentation qui va commencer en septembre et se prolonger pendant un an confirme leurs espoirs, les développeurs sont décidés à planifier la construction d'un parc éolien offshore sur ce modèle d'éolienne flottante, parc qui pourrait atteindre 150 MW au large du Portugal. Il pourrait être constitué d'éoliennes Vestas de 5MW et dans un avenir plus ou moins proche de Vestas V164 7.0 de 7 MW.

4. Free Floating Platform (FFP)
L'éolienne flottante française WINFLO développée par DCNS, Nass&Wind, Saipem et In Vivo Environnement avec l'appui d'IFREMER Brest et de l'ENSTA , fait elle aussi partie de cette catégorie semi-submersible à ancrage catenaire mais avec des variantes suffisamment importantes pour la faire entrer dans la catégorie à part des "Free Floating Platform (FFP)". C'est donc une construction "semi sub" plus légère et plus indépendante du système d’ancrage et du flotteur qui lui permet d'être déconnectée et remorquée facilement pour sa maintenance. Le projet d’éolienne flottante offshore WINFLO associe des industriels majeurs des secteurs naval, para-pétrolier et éolien. Le récent appel d'offre du gouvernement français du 11 juillet 2011 et le prochain à venir en janvier 2012 devraient conduire les protagonistes à mettre en place rapidement un démonstrateur proche de l’échelle 1, d’une puissance de 2,5 MW, installé au large de la Bretagne et raccordé au réseau électrique. Le projet prévoit la mise au point d’une nacelle spécifique offshore, à la fois légère et résistante aux sollicitations marines et aux agressions du milieu. La machine sera installée sur une plate-forme semi-submersible liée au fond marin par des ancrages caténaires encore plus facile d'utilisation que les modèles traditionnels.

IDEOL
A ces quatre types d'éoliennes flottantes s'ajoutent des variations comme Ie très intéressant système français de la société basée à La Ciotat, Ideol qui parvient à limiter l'effet de sillage dans un parc éolien grâce à une solution mécanique (photo ci-contre) capable de déplacer la turbine éolienne flottante entière, doublée d’une solution logicielle qui calcule en temps réel l’implantation optimale en fonction d’un ensemble de paramètres, afin de minimiser les effets de sillage aérodynamique et ainsi maximiser la production d’énergie du parc. (cf. article de mars 2011. Cette compagnie créée il y a tout juste un an, espère implanter un premier prototype expérimental en 2013.

PROSPECTIVE ÉOLIENNE FLOTTANTE

1. Eoliennes flottantes à axe vertical

VERTIWIND. Une voie prospective est ouverte par les éoliennes en mer à axe vertical au premier rang desquelles l'éolienne VERTIWIND (CF. article du 20 janvier 2011). Petit rappel de ses caractéristiques : des pales verticales tournant autour d'un axe lui-même vertical comme un tourniquet de manège ; une vitesse de rotation variant en fonction du vent supprimant tout risque de vibration des pales ; une hauteur de 90 m c'est-à-dire réduite par rapport à celles des éoliennes traditionnelles ; une flottaison ne nécessitant qu'un faible tirant d'eau, d'une dizaine de mètres, ce qui rend son remorquage depuis la terre peu couteux et moins complexe que dans le cas d'une éolienne classique. Grâce à sa capacité à flotter au-dessus de fonds de 200 mètres de profondeur et plus, le concept VERTIWIND allie aux avantages des éoliennes flottantes de tous types celui d'une plus grande souplesse d'utilisation grâce à ses pales verticales. La compagnie Technip dont on peut dire qu'elle est en tête des compagnies engagées dans la bataille de l'éolien flottant, déjà associée au lancement de l'éolienne flottante Hywind en Norvège, ne s'y est pas trompé en lançant un appel à projet concernant Vertiwind (ICI) et en se fixant comme objectif "de concevoir, fabriquer, installer et tester un prototype préindustriel d’éolienne à usage offshore " dont la double particularité est d'être d'une part flottante et d'autre part à axe vertical. Pour Technip, VERTIWIND offre de nouvelles perspectives pour une deuxième génération d’éolien en mer dans de nombreux pays, en particulier sur le pourtour méditerranéen, en Europe ou encore aux Etats-Unis. Le projet Vertiwind est labellisé par le Pôle Mer PACA et bénéficie des premiers financements du Programme d’Investissements d’Avenir, lancé dans le cadre du Grand Emprunt sous l’égide du Premier Ministre français via l’ADEME.

DEEPWIND
Dans cette course au gigantisme flottant et aux objets étranges, il faut citer l'expérience danoise DeepWind présentée par le magazine Wind Tech en 2010 ICI. C'est une éolienne flottante à axe vertical de 20 MW étudiée par l'Université Technique du Danemark (DTU). Malgré son aspect très futuriste, ce projet "DeepWind", lancé en octobre 2010 a reçu une subvention de 3 millions d'euros sur 4 ans, dans le cadre du 7e programme-cadre européen sur les futures technologies émergentes. Le concept combine une turbine à axe vertical de type Darrieus (une technologie bien connue) un système de pale et un système de transmission et de contrôle innovant, associés à une structure rotative et flottante. Le concept inclut un générateur à entraînement direct avec un système de contrôle électronique situé au bas de l'arbre de transmission et les liaisons par câbles électriques. Un prototype démonstrateur proche de l'échelle 1 avec une turbine de 5 MW devrait être mis en place dans les eaux du fjord de Roskilde à proximité de L'université Technique du Danemark (DTU). Cette phase une fois franchie, les développeurs prévoient une mise à l'échelle avec un modèle de turbine qui pourrait atteindre 20 MW.

2. Autres projets

SWAY
Dans le domaine de la prospective éolienne flottante, plusieurs, comment dire, ovni flottants se disputent la vedette, au premier rang desquels il faut citer le système Sway® dont les premières études ont commencé en 2003. Ce système tout à fait unique en son genre fonctionne sur le même principe de balancier que celui d'une bouteille à moitié pleine que l'on aurait posée en mer. L'ensemble turbine, mât et fondation se compose d'une seule pièce, avec dans l'extrémité inférieure un pôle lourdement lesté, exactement comme une bouteille flottante. Le principe repose sur celui d'un centre de gravité situé très en dessous du centre de flottabilité, ce qui donne au mât une stabilité suffisante pour résister aux contraintes importantes produites par la turbine posée au sommet. Le balancement de l'ensemble en mer pourrait atteindre, selon certaines études, un angle de 5 à 8 degrés. Malgré son apparente fragilité, ce système a cependant été qualifié par le très sérieux cabinet Garrad Hassan & Partners, de "technologie qui permettrait le mieux d'affronter les pires conditions de mer." En 2009, (cf. article du 1 août 2009) AREVA Wind avait jugé le projet suffisamment sérieux pour entamer avec Sway® une collaboration portant sur la construction d'une éolienne commune de 5 MW. En 2010 (cf. artcile du 17 février 2010) Sway® et l'organisme public norvégien ENOVA.no annonçaient un projet de construction d'éolienne de 10 MW sur une base flottante Sway®, projet dont il disait vouloir proposer les premiers éléments concrets en 2011. Un premier prototype à échelle réduite était inauguré le 10 juin 2011 (ICI). Les essais devraient se prolonger pendant 1 ou 2 ans avant de passer au stade 2. On est encore loin de la plus grosse turbine flottante du monde !

MUFOWS
Enfin en bout de chaîne prospective, si je peux dire, il y a ce projet MUFOWS (Multiple Unit Floating Offshore WindfarmS) dont on trouvera tout le détail ICI. Il a commencé à voir le jour dans les années 1990 au moment même où l'on s'intéressait de près au développement de l'éolien offshore flottant par rapport à l'éolien offshore posé. Développé conjointement par University College of London (UCL), W.S. Atkins et Energy research Centre of the Netherlands (ECN), le concept repose sur l'idée de base très simple (en apparence !) qui consiste à monter une batterie de plusieurs turbines éoliennes sur une seule et unique plateforme flottante semi-sub ancrée au fond marin par un câble. Deux types de structures ont été envisagées pour ces plates-formes : une structure en arête (cf photo 1) pouvant porter jusqu'à 8 éoliennes bipales, ou une structure octogonale (cf photo 2) pouvant porter aussi 8 éoliennes. Hélas en 2000, une étude de faisabilité plus approfondie concluait que si ces structures étaient parfaitement réalisables et fiables, elle n'avaient aucune chance d'être rentables dans les conditions d'exploitation des fermes offshore nearshore en vigueur dans ces années là, en Europe du Nord ! L'étude projetait cependant que, dans un futur plus ou moins proche, si l'exploitation de parcs en eau profonde était envisagée, la question vaudrait la peine d'être étudiée à nouveau-
C'est précisément le cas aujourd'hui en 2011 !


Sources : Sites liés et cités. Photo 1 : Eolienne Windflfoat ©Principle Power Inc. 2: éolienne flottante Hywind ©Technip/Statoil. 3: Schéma descriptif Windfloat©Principle Power. 4 et 5 : Winflo ©DNCS. 6 : Ideol©Ideol. 7. éolienne a axe verticale Vertiwind © Technip. 8 : éolienne Darrieus flottante Deepwind ©DTU. 9. Eolienne Sway © Sway® . 10Mufows en arête et 11 Mufows octogonale ©UCL


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