Plongez dans le monde de l’éolien en mer flottant

Une éolienne flottante se compose de quatre éléments principaux :

La fondation flottante assure à la fois la flottabilité nécessaire pour que la structure reste à flot et la stabilité permettant à l’éolienne de résister aux forces du vent et des vagues. En comparaison, les fondations posées supportent l’éolienne en étant intégrées dans le fond marin, ce qui exerce une force verticale vers le haut et qui équilibre la force vers le bas exercée par le poids de l'éolienne. Les unités flottantes fournissent cette force verticale entièrement grâce à la flottabilité de la fondation flottante.

Le système de maintien est constitué des lignes d'amarrage et d’ancrages. Son principal objectif est de limiter les déplacements de la fondation flottante afin de la maintenir en position. La conception du système d’amarrage permet également de maîtriser les mouvements et les charges des câbles sous-marins. Les ancres constituent le point de fixation des lignes d'amarrage au fond de la mer.

L'électricité est acheminée depuis les éoliennes flottantes vers le rivage par des câbles sous-marins. Contrairement à l'éolien en mer posé, où les câbles sont fixés au fond de la mer pour leur éviter tout mouvement, l'éolien flottant nécessite d’utiliser également des « câbles dynamiques ». Cela signifie que ces câbles sont plus rigides que la normale afin de pouvoir supporter également les mouvements du flotteur. Ils disposent de plus d'une protection appropriée pour limiter les mouvements et les chargements au niveau des points de connexion. Les câbles électriques qui relient les éoliennes flottantes entre elles suivent généralement une configuration en caténaire ou en « vague paresseuse » (« lazy wave » en anglais).

À court ou moyen terme, les projets éoliens flottants utiliseront fondamentalement la même technologie de turbine que celle des projets éoliens classiques fixés sur le fond marin. Cependant, il existe une différence importante entre l’éolien fixe et l’éolien flottant. Il s’agit du niveau d’interaction entre l’éolienne et la fondation. En particulier, la conception de la fondation flottante est définie en fonction des mouvements que l’éolienne peut supporter en toute sécurité (à savoir le degré maximal d’inclinaison, les accélérations et la vitesse maximale de déplacement), le système de contrôle commande de l’éolienne étant également modifié pour répondre à ces conditions. L’objectif est ainsi de maintenir une résistance optimale pour produire le maximum d’électricité en dépit des mouvements de la houle.

La plupart des modèles de fondations flottantes disponibles sur le marché peuvent être classés dans l’une des cinq « familles » génériques :

Pour assurer la stabilité de l’éolienne, ce concept s'appuie sur le différentiel entre son centre de gravité (CdG) et son centre de flottabilité (CdF). La structure sera configurée de telle sorte que le CdG soit considérablement inférieur au CdF. Cela signifie que si la fondation est inclinée, elle agira comme un pendule qui revient à la verticale.

Ce concept de fondation est similaire à celui du Spar mais, au lieu d’avoir une structure monolithique, elle possède une partie supérieure flottante et une quille suspendue en dessous, de sorte que son CdG est inférieur à son CdF.

Ce système tire sa stabilité de l’importante surface qu’il occupe sur le plan d’eau (la surface de la fondation flottante au niveau de la ligne de flottaison). Lorsque la structure s’incline, certaines parties sont poussées sous l’eau tandis que d’autres sont soulevées, ce qui entraîne un moment de rappel et une flottabilité globale.

Ce concept est similaire à celui d'une barge, car la structure gagne en stabilité à partir de la zone du plan d’eau avec trois colonnes séparées ou plus.

Cette fondation repose sur le différentiel et l'équilibre entre la force ascendante de flottabilité exercée par la structure et la force descendante exercée par les tendons d’amarrage tendus verticalement.

Les systèmes d’ancrage peuvent être classés en quatre grandes catégories. L’ancrage le plus adapté dépendra de la profondeur du site, des conditions du sol et du type de fondation flottante choisi.

Ce système est généralement installé à des profondeurs d’eau inférieures à 500 m et utilise des chaînes et/ou des câbles métalliques. Une longueur importante de la ligne d’amarrage repose sur le fond marin. Lorsqu’elle est soulevée du fond marin par les mouvements de la fondation flottante, son poids en suspension tend à la remettre en place. C'est un exemple de force de rappel, une force qui agit pour ramener un système à l’équilibre, c'est-à-dire à son état de repos initial.

Ce système est généralement utilisé à des profondeurs d’eau supérieures à 250 m et utilise des amarres légères en câble synthétique ou en câble métallique. Avec ce système, aucune longueur de ligne d’ancrage ne repose sur le fond marin et la force de rappel est créée par l’étirement et le relâchement des amarres. Cette configuration a une « empreinte » sur le fond marin (la surface occupée par un système de lignes d’amarrage sur le fond marin) beaucoup plus faible que le système caténaire.

Ce système est un hybride des systèmes caténaire et tendu, avec une petite partie de la ligne d’amarrage posée sur le fond marin. Il peut être utilisé à toutes les profondeurs d’eau et a une plus petite « empreinte » sur le fond marin que le système caténaire, mais plus grande que pour le système tendu.

Ce système est généralement utilisé à des profondeurs d’eau supérieures à 120 m et uniquement avec des conceptions de fondations flottantes spécifiques de type TLP (tension-leg platform). Cette configuration ne permet pas le mouvement vertical de la fondation flottante et utilise des câbles d’amarrage qui sont soit des câbles/chaînes en acier, soit des cordages en fibre synthétique. Ces câbles d’amarrage sont très tendus et sont donc utilisés comme tendons. Cette configuration représente la plus petite « empreinte » sur le fond marin.

La plupart des concepts de fondations flottantes sont conçus avec un système d’amarrage qui maintient la fondation dans une orientation fixe. Avec ce technologies, l’éolienne est maintenue alignée avec la direction du vent grâce au système standard d'orientation de la nacelle de l’éolienne (le mécanisme qui fait tourner l'éolienne à 360° autour du sommet de la tour), comme pour des éoliennes posées sur le fond marin. Certains concepts flottants utilisent toutefois une solution d’amarrage à tourelle unique, grâce à laquelle l’ensemble flotteur/turbine pivote autour d’un point unique de connexion de la ligne d’amarrage. Dans ce cas, l’alignement de l'éolienne avec la direction du vent est en grande partie obtenu par la rotation de l'ensemble de la plate-forme flottante. Le câble électrique dynamique est acheminé au centre de la tourelle et connecté à un joint tournant électrique, pour permettre une continuité électrique.

Les éoliennes flottantes sont installées selon un plan d’implantation optimisé pour chaque projet. La position des turbines, des fondations, des amarres, des ancres et des câbles de ce plan d’implantation est déterminée par plusieurs facteurs, tels que les conditions du vent, la profondeur de l’eau, le type d’amarrage et les conditions du fond marin, comme les talus, les rochers, le type de sol et les obstacles.