L’éolien flottant attire de plus en plus d’investissements et de soutien des politiques publiques, car il peut accéder à 80 % du potentiel de production offshore qui se trouve à des profondeurs d’eau supérieures à 60 mètres. Ces eaux plus profondes ont tendance à être plus au large, où le vent est généralement plus constant, mais où les structures de support des éoliennes offshore fixées au fond sont moins réalisables sur le plan technique, logistique et économique.

A travers cet article nous allons découvrir les différentes parties constituant une installation éolienne offshore flottante, les différents types et prototypes développés et en cours de développement et quelques dates clés.

Les turbines éoliennes sur fondation ne peuvent être installées que sur un plancher océanique de faible profondeur, tel que celui de la partie méridionale de la mer du Nord, une caractéristique peu fréquente. La technologie éolienne offshore flottante s’affranchit de cette contrainte. Plusieurs pays européens ont encouragé sa mise au point, en testant divers modèles de flotteurs, d’abord avec des prototypes, puis des démonstrateurs de taille industrielle, et aujourd’hui des fermes au stade pré-commercial atteignant chacune une capacité de plusieurs dizaines de mégawatts (MW). Chaque étape antérieure a permis de valider des réponses techniques aux redoutables difficultés à affronter, notamment pour assurer la plus grande stabilité et la fatigue mécanique en raison des vibrations liées à la rotation des pales.
Aujourd’hui, il existe plusieurs prototypes ou projets à l’échelle commerciale de turbines flottantes en développement ou en période de tests. On peut en citer quelque un :

Tous les développeurs européens des projets parvenus au stade pré-commercial ont choisi des modèles de flotteurs que l’on appelle « agnostiques », car ils peuvent recevoir des turbines existantes sur le catalogue des constructeurs. Avec ce choix, les porteurs de projet bénéficient d’engins de forte puissance déjà éprouvés, des années d’expérience accumulées sur ces turbines dans l’offshore sur fondation et des prix correspondant à une fabrication en séries longues.

Bien qu’ils soient essentiels au développement de parcs éoliens offshore flottants à l’échelle commerciale, les postes flottants n’ont pas reçu le même degré d’attention ou de prototyping à grande échelle que leurs homologues à turbine.

Ces dernières années, le développement des technologies éoliennes offshore flottantes a été rapide, avec l’émergence de nombreux concepts. Après le déploiement réussi de prototypes et de projets de démonstration, l’industrie passe maintenant rapidement à des projets commerciaux. Cependant, alors que les projets de démonstration génèrent des quantités limitées d’électricité qui peuvent être exportées directement à terre, un projet à l’échelle commerciale nécessitera une sous-station offshore (OSS – Offshore Sub-Station). L’OSS hébergera un transformateur élévateur et les équipements nécessaires pour exporter de l’énergie en haute tension (HT). Le seul OSS flottant au monde a été installé en 2013 à Fukushima, au Japon, et est relié à 3 turbines. L’OSS de Fukushima gère un total de 16 MW et exporte de l’énergie en 66 kV, ce qui n’est pas comparable à un parc éolien à l’échelle commerciale.

Nous avons vu précédemment qu’un parc éolien flottant serait généralement installé à des profondeurs supérieures à environ 60 m, où un mono-pieux ou une structure fixe au fond ne serait pas économiquement pertinent. Pour un OSS, la profondeur critique d’une fondation fixée au fond pourrait être économiquement compétitive jusqu’à environ 100 m, une profondeur qui n’est pas inhabituelle pour les plates-formes fixes pétrolières et gazières.

Pour les premiers parcs éoliens flottants, là où les profondeurs d’eau le permettent, des sous-stations fixes de fond pourraient limiter les risques et les coûts inhérents aux nouvelles technologies telles que les câbles dynamiques à haute tension. Cependant, dans des endroits avec des profondeurs supérieures à 500 m, les sous-stations fixes de fond ne sont pas une option.

Il est tentant d’envisager le même type de fondation flottante pour les éoliennes et l’OSS, profitant ainsi des synergies dans la conception, la construction, l’installation et même l’O&M. Cependant, cette synergie est difficile à réaliser en raison des contraintes différentes des OSS.

Premièrement, le dessus de l’OSS peut être nettement plus lourd qu’une éolienne (entre 2000 et 4500 MT pour HVAC et encore plus lourd pour un système en HVDC, contre ~1200MT pour un ensemble d’éoliennes de 12MW), et la répartition du poids est également très différente, avec un centre de gravité plus bas pour l’OSS. Ces facteurs ont un impact direct sur la stabilité et la tenue en mer du flotteur, nécessitant des dimensions de flotteur différentes ou même un concept complètement différent.

Deuxièmement, une OSS a une multitude de câbles sous-marins connectés. Un arrangement de projet typique pourrait avoir plus de dix câbles de réseau et au moins un câble d’exportation connecté à l’OSS. Cette configuration de câbles sous-marins denses est très sensible aux grands déplacements, et des excursions de l’OSS trop loin de sa position d’origine peuvent endommager le câblage. Par conséquent, étant donné que l’OSS et le câble d’exportation sont des points de défaillance uniques pour l’ensemble du parc éolien, le système d’amarrage nécessite une attention particulière afin d’assurer un maintien en position efficace et un haut niveau de redondance en cas de défaillance de la ligne d’amarrage.

Même si la configuration TLP peut réduire considérablement les mouvements d’une structure OSS, toutes les plates-formes flottantes finiront par bouger. Ce comportement dynamique d’une installation flottante est un défi de conception par rapport à une OSS fixe. Et tandis que la plupart des composants d’un OSS flottante sont des technologies éprouvées issues des industries pétrolières et gazières ou maritimes, deux questions qui nécessitent une innovation considérable sont : les câbles haute tension dynamiques sous-marins et les équipements haute tension, de nos jours les fabricants de câbles dynamiques se comptent sur les doigts d’une seule main.

L’autre élément qui est nouveau pour l’installation dans un environnement dynamique sont les équipements HT, en particulier le transformateur de puissance et l’appareillage de commutation à isolation gazeuse (GIS). Bien que la plupart des systèmes de distribution et des équipements moyenne tension aient prouvé leur fiabilité dans les industries pétrolières et gazières et maritimes, les GIS et les transformateurs de puissance actuellement sur le marché n’ont pas été conçus pour les accélérations répétitives anticipées à bord d’un OSS flottant. L’équipement est généralement conçu pour les mouvements sismiques, mais cela n’est pas directement transférable aux conditions flottantes étant donné que les mouvements d’une structure flottante ont une plus grande amplitude et beaucoup plus de cycles de fatigue. Les mouvements pourraient, par exemple, provoquer des clapotements d’huile dans la cuve de compensation du transformateur, ou détériorer les joints gaz du GIS, entraînant une perte de gaz. Les nouvelles innovations concernant le câble dynamique et les équipements HT doivent être qualifiées et testées dans des environnements réels avant d’être mises en œuvre sur des projets à l’échelle commerciale. Pour rassembler suffisamment de données pertinentes, cette phase de test doit être réalisée pendant une durée importante qui imposera un délai entre le développement d’un nouveau produit et sa mise en œuvre industrielle.

Comme les éoliennes flottantes, les OSS flottantes nécessitent un certain nombre d’innovations, chacune apportant des risques et des coûts supplémentaires, en particulier pour les projets pionniers. Il existe toujours des moyens d’atténuer les risques inhérents à un OSS flottante, offrant ainsi une confiance suffisante aux développeurs et aux investisseurs. Les tests et la certification des composants critiques garantiront à la fois que les conceptions sont basées sur les meilleures pratiques de l’industrie et que les composants répondent à leurs critères de conception, réduisant ainsi le risque de défaillance. Compte tenu du calendrier prévu pour le développement des premiers parcs éoliens flottants commerciaux, la construction d’un prototype OSS à grande échelle pourrait ne pas être réalisable dans un délai pertinent et pourrait être difficile à financer. Cependant, chaque élément critique peut être testé individuellement avec des techniques d’essais appropriées telles que des essais modèles en bassin ou des bancs d’essais dynamiques.

Un autre moyen d’atténuer les risques consiste à mettre en œuvre un degré élevé de surveillance à distance de l’OSS pour garantir la disponibilité des équipements et prévenir les pannes catastrophiques. Cette surveillance d’état peut être appliquée aux lignes d’amarrage, aux câbles, aux équipements HT ou à tout autre élément critique. De plus, pour éviter une défaillance catastrophique, cette surveillance permettra une maintenance prédictive et réduira ainsi les coûts d’exploitation et de maintenance.

Références :

• Offshore wind farm developer public papiers.
• Development of floating offshore substation and wind turbine, Fukushima. Japan Marine United Corporation.
• Rapports, publications DNV.
• M. Guyot, « How floating wind will enable 40 €/MWh? », Eolink, congrès FOWT2019, 25 avril 2019.
• M. CRUCIANI « l’éolien OFFSHORE flottant dans sa dimension industrielle et technologique ».