L'intégrité des systèmes EMR à l’épreuve des vagues

Observation et modélisation des vagues au service du développement des EMR

La connaissance la plus précise possible des états de mer est cruciale en termes de données d’entrée pour la définition et la conception optimale des projets EMR. Ces propriétés sont utilisées tout au long du cycle de vie d’un parc :

évaluation de la ressource énergétique houlomotrice sur un site donné,
estimation des chargements sur les systèmes houlomoteurs, les éoliennes fixes et flottantes ainsi que sur les hydroliennes, qu’elles soient au fond où à la surface. Cela comprend les chargements maximum pour la survie en conditions extrêmes et les chargements moyens pour le dimensionnement en fatigue,
opérations en mer, qu’il s’agisse de l’installation, de la maintenance ou du démantèlement,
optimisation de la production d’électricité des fermes notamment houlomotrices .

Dans l’idéal, les conditions de vagues sont calculées à partir d’observations sur le site d’intérêt obtenues par des mesures in situ et des observations satellitaires. Cependant, les effets régionaux et locaux sont importants, en particulier pour les domaines côtiers où les vagues sont influencées par la bathymétrie et les courants de marées. Les observations ne permettant généralement pas de couvrir l’ensemble de la zone avec une résolution spatiale et temporelle suffisantes, sur une durée suffisamment longue, elles sont complétées par des simulations numériques. France Énergies Marines mène depuis plusieurs années des projets de R&D avec ses membres et partenaires portant sur la connaissance des états de mer avec un intérêt particulier pour les conditions de tempête et le déferlement. L’Institut a également étudié la faisabilité de développer une plateforme de recherche en mer dédié à l’éolien offshore (Projet FOWRCE SEA).

Le lancement récent de DRACCAR, la première plateforme française de recherche en mer dédiée à l’éolien offshore couplée à un programme de R&D innovant, va permettre d’améliorer la compréhension des interactions entre l’éolien en mer et l’environnement, d’optimiser le dimensionnement des éoliennes et de co-construire un réseau d’observation pérenne des façades maritimes.

Déferlement des vagues et dimensionnement des EMR

Un projet de R&D collaboratif monté et piloté par France Energies Marines s’est achevé sur la caractérisation des états de mer de tempêtes et des déferlements avec son applications aux dimensionnements des systèmes EMR (Projet DIME). En effet, les déferlantes induisent des efforts dits de claque (ou slamming) dangereux pour l’intégrité des éoliennes ou des dispositifs houlomoteurs. Le déferlement est aussi le puits d’énergie le plus important pour les vagues. ll doit donc être paramétré précisément dans les modèles numériques qui permettent de simuler et prévoir les vagues. Le projet a conduit à plusieurs innovations dans le domaine de l’observation des vagues de tempête avec notamment la capture du point de déferlement et des campagnes de mesures menées sur un phare en mer. Ces dernières ont permis des observations en 3D de déferlantes géantes et une corrélation à la réponse de la structure dans un formalisme vague à vague.

Les efforts induits par les déferlantes sur les éoliennes flottantes sont étudiés dans le cadre d’un autre projet monté et piloté par France Energies Marines (Projet DIMPACT). Ces efforts seront explorés grâce une expérience sur une éolienne flottante à taille réelle, des essais en bassin couplés et des simulations numériques. Les informations collectées seront utilisées pour développer de nouvelles formulations des efforts de slamming puis intégrées aux documents de certification. L’optimisation du dimensionnement des éoliennes offshores implantées sur des sites exposés aux risques d’ouragans est une autre problématique rencontrée par les développeurs de technologies. L’Institut vient ainsi de lancer un projet visant à mieux caractériser les vents et vagues extrêmes lors des cyclones tropicaux (Projet OROWSHI).

Caractérisation de la ressource et prédiction des vagues scélérates

L’amélioration de la caractérisation du vent afin de réduire les incertitudes dans l’évaluation des ressources et la conception des éoliennes ét cœur d’un projet monté et coordonné par France Energies Marines (Projet CARAVELE). L’effet des vagues, et en particulier des déferlantes, sur l’intensité et la structure verticale du vent en mer y a été étudié de manière théorique et numérique. Des travaux sur l’impact du déferlement sur le signal radar émis par les satellites ont également été menés. Ils ont permis d’améliorer l’inversion du vent depuis les images satellitaires, en conditions extrêmes, grâce à une expérience menée dans le canal d’essais de l’Université de Miami. Le projet portait aussi sur la prédiction à court terme de l’occurrence de vagues dites scélérates qui pourrait trouver son application dans la sécurité des personnels techniques déployés lors des opérations en mer.

Vers une meilleure connaissance de l’interface mer-atmosphère

Le Golfe du Lion va accueillir prochainement trois fermes pilotes et plusieurs fermes commerciales d’éoliennes flottantes. Dans ce contexte, un projet collaboratif a été lancé à l’initiative de France Energies Marines afin de mettre en place une chaîne numérique dédiée capable de simuler avec précision les conditions de vents, de vagues et de courants dans cette zone (Projet CASSIOWPE). Ce projet se concentre sur le couplage d’un modèle d’atmosphère avec un modèle d’océan et un modèle de vagues. Grâce au développement de paramétrisations spécifiques, ce couplage permettra de simuler avec précision les interactions prédominantes entre les vents, les vagues et la mer. Le système numérique couplé permettra ainsi de mieux simuler les conditions difficiles et spécifiques du Golfe du Lion (Mistral, Tramontane, tempêtes hivernales). L’effet des embruns et aérosols marins projetés dans l’atmosphère par les déferlantes sur les flux de chaleur et de quantité de mouvement à l’interface air-mer est aussi étudié.

Intégrer l’impact du changement climatique

Au cours des quelques 25 ans de la durée de vie d’un parc éolien en mer, la ressource éolienne pourrait évoluer, entraînant une modification de la production d’énergie associée. Cela aurait alors un impact sur le plan d’affaires initial. Le changement climatique pourrait également affecter la durée des saisons ou leur intensité et avoir un effet sur l’équilibre entre l’offre et la demande en énergie. L’intensité des vents extrêmes et leur fréquence peuvent aussi varier et avoir un impact sur la conception des éoliennes ou sur les fondations, ancrages, sous-stations et câbles électriques d’export. Les vagues extrêmes et la montée des eaux doivent également être pris en compte car ils sont dimensionnants pour ces systèmes. Un premier projet (Projet 2C NOW) vient d’être lancé par l’Institut sur le sujet.

Liste de publications en lien avec les vagues (PDF)

Crédit photo : Hans / Pixabay

Projets

En cours

2C NOW

Impact du changement climatique sur le secteur de l’éolien offshore

Terminé

CASSIOWPE

Caractérisation des interactions entre l’atmosphère et la surface de la mer pour le déploiement de l’éolien offshore dans le Golfe du Lion

En cours

DIMPACT

Dimensionnement d’éoliennes flottantes prenant en compte les impacts de la raideur et du déferlement des vagues

Terminé

ARCWIND

Adaptation et mise en œuvre des technologies de conversion de l'énergie éolienne flottante pour la région Atlantique

Terminé

CARAVELE

Caractérisation du vent pour les applications liées aux énergies marines renouvelables

Terminé

DIME

Dimensionnement et météocean : modélisation et observations des états de mer extrêmes déferlants pour les énergies marines renouvelables

Terminé

COASTWAVE

Analyse locale à haute résolution de la variabilité des vagues et des déferlements à partir d’imagerie satellite

En cours

DRACCAR

Première plateforme française de recherche en mer dédiée à l’éolien offshore couplée à un programme de R&D innovant

Terminé

FOWRCE SEA

Plateforme de recherche en mer pour l’éolien offshore

Terminé

MEDSEA CHECKPOINT

Evaluation du système de surveillance à l'échelle de la Méditerranée basée sur des applications ciblées

En cours

OROWSHI

Dimensionnement d’éoliennes offshores en incluant des données vents-vagues dans les standards pour les sites exposés aux ouragans

Bulletin COME3T N°1 – Les parcs éoliens posés peuvent-ils générer des vagues dangereuses ?

Renaud et al. (2023)

Semi-analytical load models describing the progressive immersion of a fixed vertical cylinder in a breaking wave. Ocean Engineering

Batlle Martin et al. (2022)

Numerical investigation of slamming loads on floating offshore wind turbines. Proceedings of the 32nd International Ocean and Polar Engineering Conference

Stringari et al. (2021) (b)

Deep neural networks for active wave breaking classification. Nature Scientific Reports