Description du câble dynamique

Le câble dynamique, autrement appelé câble ombilical, constitue un point essentiel d’un sys-tème éolien flottant. Ce câble a pour rôle principal de transporter l’énergie électrique produite par la turbine de l’éolienne vers le réseau. Par ailleurs, il permet d’alimenter en énergie l’éolienne pour le démarrage de la turbine et pour le fonctionnement de tous les systèmes embarqués. De plus, le câble est conçu pour gérer la communication et l’échange de données entre les différents sous-systèmes de l’éolienne et le centre de commande.

Un câble dynamique se situe entre l’éolienne flottante et le fond marin. Il est attaché à la plateforme par une connexion flexible mais dont la rigidité permet de limiter le mouvement de flexion, et relié à l’autre extrémité à un câble statique généralement enfoui ou posé dans le fond marin, voir Figure 1.13. Il est également envisageable d’utiliser le câble dynamique pour relier plusieurs éoliennes flottantes en série dans le cas d’un parc commercial (ou ferme).

Figure 1.13 – Illustration d’un câble dynamique d’éolienne flottante (source : NREL)

Contrairement aux câbles sous-marins classiques (câble statique), généralement enfouis dans le fond marin, les câbles dynamiques sont directement exposés aux mouvements du flotteur, à la houle et au courant. De ce fait, il possèdent deux ou plusieurs couches de renforts afin de reprendre les efforts mécaniques. On retrouve de nombreux types de câbles dynamiques dans le domaine de l’offshore pétrolier. La taille de leur section et leur nombre de composant varient fortement en fonction de leur application. Habituellement, les câbles utilisés dans ce domaine sont de faibles puissances et donc plus souples en comparaison avec un câble d’un système éolien-flottant. De plus, il sont majoritairement utilisés dans le cas de grandes profondeurs, les rendant moins vulnérable au mouvement de la plateforme produit par la houle, voir Figure 1.14a , en particulier dans le cas de structure de type jacket, voir Figure 1.14b.

(a) (b)

Figure 1.14 – Illustrations de l’utilisation des câbles dynamiques dans le domaine de l’offshore pétrolier : (a) lien entre une plateforme flottante (a) ou une plateforme de type jacket (b) et le fond marin (sources : OceanHub)

Dans le cadre d’une utilisation pour les éoliennes flottantes, le câble dynamique peut être déployé sous plusieurs configurations, voir Figure 1.15 [Spraul, 2018], à savoir :

— configuration caténaire : le câble rejoint le sol sous l’effet de son propre poids,

— configuration "lazy wave" : des modules de flottabilités sont ajoutés au câble lui donnant une forme de S. Cette configuration permet de découpler la réponse du câble au niveau de la zone de contact au sol du mouvement du flotteur,

— configuration "pliant wave" : le câble est retenu au sol par un tendon permettant de res-treindre les mouvement du câble dans la zone de contact avec le sol,

— configuration "steep wave" : la connexion entre le sol et le câble se fait à la verticale.

(a) Caténaire (b) "Lazy wave"

(c) "Pliant wave" (d) "Steep wave"

Figure 1.15 – Configurations classiques du câble dynamique [Spraul, 2018]

Pour toutes ces configurations, il est évident de constater que, suivant le mouvement du flotteur, le câble sera fortement sollicité en traction-torsion et en flexion. L’association des efforts de traction, des pressions de contact résiduelles, issues du procédés de fabrication, et des efforts de flexion donne lieu a un comportement global en flexion non-linéaire, voir Figure 1.16. En effet, tout comme dans le cas des câbles métalliques, l’état de contact au sein d’une section de l’ombilical peut être collant ou glissant, autorisant ou non un déplacement relatif entre les composants. La température au sein

du câble joue aussi un rôle important. Le passage du courant électrique dans sa partie conductrice est à l’origine de l’échauffement du câble par effet Joule, engendrant ainsi une dilatation et une variation des caractéristiques mécaniques des constituants du câble, voir [Maioli, 2015]. Les zones critiques sont situées aux extrémités du câble où des structures de type raidisseur viennent entourer le câble pour éviter une flexion trop importante, en particulier pour des chargements extrêmes, et réduire le dommage en fatigue à long terme, [Skeie et al., 2012] et [Sødahl and Ottesen, 2011]. Les contraintes induites par un chargment en flexion peuvent avoir un impact important sur la durée de vie en fatigue du câble. Généralement, les composants les plus sensibles à la fatigue sont les éléments métalliques associées à la fonction électrique du câble, voir [Tjahjanto et al., 2017].

Figure 1.16 – Diagramme moment-courbure issu d’une étude expérimentale d’un câble ombilical soumis à un chargement cyclique en flexion [Ottesen, 2017]

Figure 1.17 – Photographie d’une section du câble dynamique à analyser (source : Centrale Nantes et France Énergies Marines)

Dans cette étude, l’objectif est de caractériser le comportement mécanique global ainsi que de proposer une estimation de l’état de contrainte à l’échelle locale d’un câble dynamique tri-phasé de 20 KV en vue d’évaluer par la suite sa durée de vie (ce dernier point n’étant pas traité dans ce travail). Ce câble, actuellement en service sur le site du SEMREV, est composé d’un assemblage d’éléments hélicoïdaux métalliques et de membrane ou isolant plastiques, voir Figure 1.17, dont

les matériaux et la géométrie sont présentés ci-après.

Il est important de noter que toutes les données concernant l’arrangement des composants du câble ou leurs propriétés locales ou globales sont issues de mesures effectuées dans le cadre du projet OMDYN2, ou de la littérature quand des résultats d’essais ou de mesure ne sont pas disponibles.