Câble dynamique : le cordon ombilical des systèmes EMR flottants à rude épreuve

Câble dynamique : rôle crucial et source de préoccupations

Tout système de production d’énergie électrique en mer nécessite un réseau de câble pour l’exporter à terre. Les systèmes fixes comme les éoliennes posées ou certains systèmes hydrolien utilisent un câble statique posé ou ensouillé au fond de la mer. Celui-ci subit donc peu de contraintes mécaniques : il est dit statique. En revanche, pour les systèmes flottants, il convient d’avoir une liaison entre le flotteur et la partie principale d’export sur le fond marin : c’est le câble dynamique ou ombilical.

Ce composant est soumis à de fortes contraintes mécaniques en raison des mouvements du flotteur, de la houle et du courant, ainsi qu’à des risques d’usure par frottement ou ragage. C’est pourquoi sa conception est différente de celle d’un câble statique avec notamment une double armure. Les fortes tensions qui transitent dans ces câbles (> 66 kV) associés aux efforts mécaniques importants en font un composant multi-matériaux complexe et couteux. Aucune redondance n’étant envisagée, sa robustesse et sa longévité sont des éléments cruciaux pour la viabilité d’une ferme.

Le retour d’expérience des parcs éoliens posés d’Europe du Nord indique que 80 % des recours juridiques sont associés à des dysfonctionnements du câble d’export des éoliennes offshores. Compte-tenu de l’aspect dynamique des câbles des systèmes flottants, le risque de perte de production d’une ferme est jugé élevé par les assureurs. Ceci peut être source d’inquiétude pour les investisseurs et pénaliser la filière si une bonne maitrise de ce composant n’est pas démontrée rapidement.

Le challenge de la configuration dynamique

Le câble dynamique doit être capable de supporter les déports maximums du flotteur sous chargement de courant, houle et vent centennaux. Ceci implique de déployer une sur-longueur capable d’absorber ces diminutions ou augmentations de distance aux extrémités. Cette sur-longueur, qui comporte des modules de flottabilité, permet à l’ombilical de rester suffisamment éloigné de la surface pour préserver la sécurité à la navigation, mais aussi du fond pour éviter l’usure prématurée par abrasion. Le câble dynamique doit également supporter l’évolution de son environnement sur ses 20 à 25 ans de service, y compris le développement de biofouling qui peut multiplier son poids par trois. L’influence de ce phénomène sur l’ombilical a été étudié dans le cadre de deux projets de R&D collaboratifs : l’un portait sur l’effet thermique (Projet ABIOP+) et l’autre sur le comportement hydromécanique (Projet OMDYN2).

Le comportement couplé sur le long terme

Les câbles dynamiques sont confrontés à des sollicitations mécaniques dominées par la flexion en raison de la taille de flotteur modérée qui induit une dynamique forte, mais aussi de la faible profondeur qui implique une tension mécanique moindre. Ceci constitue une différence notable vis-à-vis des ombilicaux pétroliers qui sont dominés par la tension mécanique imposée par le poids suspendu en grande profondeur (> 1000 m). Le câble dynamique des EMR subit donc des sollicitations conséquentes et régulières en flexion, couplées à des chargements électrique et thermique importants. Il convient donc d’identifier si les sollicitations découplées utilisées dans les méthodes de dimensionnement actuelles sont satisfaisantes et d’affiner notre compréhension des modes de dégradation spécifiques que ce couplage induit (Projet OMDYN2).

Stratégies et solutions technologiques pour le suivi en service

Le couplage multi-physique et l’utilisation de nombreux matériaux différents qui le composent, font du câble dynamique un objet complexe à observer. En effet, les épaisses armures en acier limitent les mesures externes en constituant une barrière quasi infranchissable. Pourtant, étant donné l’enjeu autour de ce composant, il est essentiel de mettre en place une véritable stratégie de monitoring et de développer des solutions technologiques permettant d’en assurer le suivi en service (Projet DYNAMO). Aujourd’hui, les techniques d’interrogation portent en premier lieu sur des tests de fonctionnalité électrique. L’identification de dégradations secondaires pourrait permettre de prévenir et d’agir en conséquence avant la perte complète de fonctionnalité. Si l’utilisation de la fibre optique interne à l’ombilical est déjà explorée, il convient de maintenir un effort de développement de capteurs innovants susceptibles de répondre au besoin car les modes de dégradation ne sont pas encore complètement maitrisés.

Liste des publications en lien avec les câbles dynamiques (PDF)

Crédit photo : France Energies Marines

Projets

Terminé

ABIOP+

Prise en compte du biofouling au moyen de protocoles de quantification utiles à l’ingénierie

Terminé

DYNAMO

Suivi en service des câbles dynamiques

Terminé

OMDYN2

Ombilicaux dynamiques pour les systèmes d'énergies marines renouvelables flottants - Phase 2

Terminé

ABIOP

Quantification du biofouling au moyen de protocoles établis et recommandations associées

En cours

HT-20MW

Hub de connexion électrique haute tension en mer et application pour une éolienne de 20 MW

Terminé

OMDYN

Ombilicaux dynamiques pour les énergies marines renouvelables

Recommandations pour la caractérisation des impacts potentiels des câbles électriques sous-marins associés aux projets d’énergies marines renouvelables

Atlas bibliographique du biofouling des façades maritimes françaises dans un contexte d’énergies marines renouvelables

Marty et al. (2021) (a)

Experimental study of hard marine growth effect on the hydrodynamical behaviour of a submarine cable. Applied Ocean Research

Marty et al. (2021) (b)

Effect of roughness of mussels on cylinder forces from a realistic shape modelling. Journal of Marine Science and Engineering

Marty et al. (2020)

Marine growth effect on the hydrodynamical behavior of a submarine cable under current and wave conditions. Actes des 17èmes Journées de l’Hydrodynamique