Contexte

Depuis 2011 la France a attribué 6 parcs commerciaux pour l’installation d’éoliennes posées en mer pour une capacité totale de production de 3 GW. Les éoliennes posées sont la plupart du temps installées dans des zones ne dépassant pas 40 m de profondeur, mais la limitation à ces profondeurs ne permet pas d’exploiter certaines zones offrant pourtant un fort potentiel en ressource, notamment en Méditerranée. Afin d’atteindre les objectifs fixés au niveau national en termes de production d’énergie en mer, des solutions innovantes doivent être développées et testées. L’éolien flottant apparait à ce titre prometteur.

L’un des avantages de l’éolien flottant est de s’affranchir de la limitation en profondeur d’eau et d’accéder ainsi à des zones où la ressource en vent est plus importante. Cette plus grande distance des côtes facilite également l’acceptation des projets et leur intégration à l’écosystème maritime, avec en outre un impact environnemental réduit. Les éoliennes flottantes ne nécessitent en effet pas de fondations fixes et seules les ancres impactent le fond marin.

La confirmation de l’intérêt technico-économique de l’éolien flottant passe cependant par le développement de composants fiables et accessibles en coût.

L’intérêt est ici porté sur les ombilicaux dynamiques dont le rôle premier et essentiel est de permettre la transmission de la puissance électrique produite vers le réseau. L’ombilical doit également permettre de soutirer de l’énergie du réseau pour le démarrage de l’éolienne et le fonctionnement des systèmes auxiliaires. Il remplit en outre une fonction de communication pour le contrôle-commande de l’ensemble des sous-systèmes de l’éolienne flottante.

Les ombilicaux considérés pour l’éolien flottant sont très différents des câbles électriques utilisés en offshore pétrolier. Ces derniers sont en effet, en comparaison, de faible puissance et sont donc plus souples. Ils sont par ailleurs déployés en grande profondeur d’eau (plus de 500m) et donc peu sollicités par les mouvements du support flottant et par la houle à la différence de ce qui est attendu pour l’éolien flottant.

Les composants internes des ombilicaux dynamiques sont également différents de ceux des câbles sous-marins classiques. Ces derniers sont qualifiés de statiques car ils reposent au fond et sont généralement enfouis. Les ombilicaux dynamiques sont donc davantage exposés à la fatigue mécanique de leurs composants. En conséquence ils possèdent généralement deux couches

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d’armure au lieu d’une et n’ont pas de barrière d’étanchéité en plomb car ce matériau présente une mauvaise résistance à la fatigue.

Plusieurs démonstrateurs d’éoliennes flottantes sont en test dans le monde depuis 2010 mais tous de puissance unitaire inférieure à 2,5 MW alors que les applications industrielles visées sont supérieures à 5 MW. Les ombilicaux dynamiques de ces démonstrateurs ont été conçus pour une durée de vie faible (inférieure à 5 ans) et aucune donnée n’est disponible sur leur comportement réel.

Dans le cas d’un parc commercial, il est envisagé, à l’instar de l’éolien posé, de raccorder des éoliennes en séries. Les ombilicaux dynamiques devront alors exporter des puissances de plusieurs dizaines de mégawatts, accroissant ainsi les difficultés de conception et d’installation du fait des sections plus importantes.

À la différence des fermes d’éoliennes posées, le câble d’export électrique ne bénéficie pas du support du pied de l’éolienne pour traverser la tranche d’eau (voir Figure 1.1). L’ombilical dynamique est donc exposé aux sollicitations de la houle et du courant. Il doit de plus accommoder le mouvement d’un flotteur lui-même soumis à la houle. Dans ces conditions l’ombilical dynamique doit répondre à des contraintes structurelles en plus des contraintes fonctionnelles que sont la transmission de puissance électrique et la transmission d’information. Les travaux présentés ici s’intéressent en particulier à la fatigue mécanique de ce composant vis-à-vis des chargements cycliques auxquels il est soumis aux fréquences de la houle.

Un certain nombre d’études récentes montrent en effet l’importance de la fatigue mécanique pour les ombilicaux dynamiques servant à l’export de la production électrique des éoliennes flottantes, ou des fermes de houlomoteurs (Thies 2012, Yang 2016, Yang 2017).

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Figure 1.1 : Vue d’artiste d’un ombilical dynamique d’éolienne flottante ©NREL

Les méthodes d’analyse en fatigue généralement employées par l’industrie offshore pour les risers et ombilicaux dynamiques sont basées sur le calcul de l’espérance du dommage subi pour un cas de chargement de durée courte, généralement 3h, en fonction des statistiques environnementales du site (DNV RP-F204). Ces statistiques environnementales sont établies à partir des mesures et/ou de prévisions (Le Crom et al. 2013), et permettent d’établir une distribution de probabilité dont sont déduites les probabilités d’occurrence de chaque cas de chargement. Pour déterminer l’espérance du dommage, le dommage causé par différents cas de chargement est calculé, puis l’espérance du dommage est estimée en pondérant le dommage causé par la probabilité d’occurrence des cas de chargement considérés.

Le calcul du dommage sur un cas de chargement donné se fait en plusieurs étapes. En premier lieu la réponse du flotteur aux efforts du vent, du courant et de la houle doit être calculée. Puis la réponse globale de l’ombilical aux excitations induites par le mouvement du flotteur, mais aussi par l’écoulement hydrodynamique (houle et courant), est calculée avec l’hypothèse d’une section homogénéisée. À partir de cette réponse globale de l’ombilical, la contrainte locale dans les différents composants du câble est alors calculée en utilisant un modèle détaillé de la section. Enfin le calcul du dommage est réalisé aux points les plus critiques. Or les modèles utilisés à chacune de ces étapes simplifient nécessairement les phénomènes physiques tout en faisant appel à un grand nombre de paramètres dont les valeurs ne sont pas toujours connues de façon déterministe, ni avec précision. L’incertitude sur le dommage calculé est donc importante. Elle conduit à l’application d’un

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coefficient de sécurité sur la durée de vie obtenue. Il est généralement recommandé que celui-ci ne soit pas inférieur à 10 pour les ombilicaux dynamiques (API Spec. 17E). Ainsi la durée de vie de design doit être d’au moins 200 ans pour permettre une durée de service de 20 ans.

Ce coefficient de sécurité important représente un coût non négligeable dans un contexte où le développement des énergies marines renouvelables (EMR) est fortement lié à une diminution du coût de l’énergie produite. Cependant le manque de retour d’expérience concernant les ombilicaux d’export de puissance électrique, spécifiques aux systèmes EMR flottants, est actuellement un obstacle à la réduction de ce facteur de sécurité. Il faut en outre considérer que les spécificités de chaque site (profondeur, type de sol, conditions d’environnement), et la variété des flotteurs, rendent le transfert de connaissance plus difficile d’un site à un autre.

Le travail présenté ici s’intéresse plus particulièrement à l’incertitude portant sur les caractéristiques de l’ombilical qui interviennent dans le calcul de sa réponse dynamique globale aux sollicitations du flotteur et de la houle. Ces incertitudes se propagent et contribuent à l’incertitude finale sur le dommage. Une des principales sources d’incertitude est liée à la croissance d’organismes biologiques sur la surface externe du câble. Cette bio-colonisation affecte fortement la masse et la flottabilité de l’ombilical ainsi que les efforts hydrodynamiques auxquels il est soumis, et présente une forte variabilité au cours de sa vie en raison des phases de croissance et des chutes éventuelles.

Dans ce contexte l’objectif des travaux de thèse présentés dans ce manuscrit est de proposer une méthode de suivi en service de la durée de vie des ombilicaux dynamiques basée sur une calibration régulière des paramètres du câble liés à la bio-colonisation, et d’évaluer selon la méthode de calibration retenue le gain envisageable en terme de réduction de l’incertitude sur le dommage.