Les plates-formes éoliennes flottantes en mer représentent une frontière critique dans le domaine des énergies renouvelables, permettant le déploiement dans les sites en eau profonde où les turbines à fond fixe sont peu rentables ou techniquement impossibles. La stabilité de ces structures flottantes affecte directement la production énergétique, la fatigue structurelle et la sécurité opérationnelle.L'application des principes de dynamique des fluides – encombrant la mécanique des vagues, les interactions actuelles et les charges aérodynamiques – fournit les bases pour concevoir des plates-formes qui demeurent stables et efficaces dans des conditions marines difficiles.

Les fondamentaux de la dynamique des fluides pour les plates-formes éoliennes offshore flottantes

La dynamique des fluides régit les forces et les mouvements d'un objet flottant dans l'eau et l'air. Pour un FOWT, les trois principaux environnements fluides sont les vagues océaniques, les courants océaniques et le vent atmosphérique.

Les équations qui régissent le mouvement des fluides, les équations Navier-Stokes, décrivent l'interaction entre la pression, la viscosité et l'inertie. Dans la pratique, on utilise souvent des simplifications telles que l'équation de débit potentiel (en supposant que l'écoulement est irrotationnel, inviscidé) et l'équation de Morison (pour les membres minces) : les paramètres non-dimensionnels clés comprennent le nombre de Reynolds (rapport des forces d'inertie aux forces visqueuses) et le nombre de Froude (rapport des forces d'inertie aux forces gravitationnelles), qui aident à évaluer les modèles et les simulations.

La théorie des ondes linéaires (ondes aériennes) fournit une approximation de premier ordre, mais des états de mer réalistes impliquent des ondes irrégulières et non linéaires. Les charges de courant contribuent à une force moyenne constante et peuvent exciter les mouvements à basse fréquence. Les charges de vent agissent sur la tour et le rotor, produisant des fluctuations de poussée et de turbulence qui peuvent s'associer avec les mouvements de tangage et de surtension de la plate-forme.

La stabilité de la plate-forme est souvent décrite en termes d'hydrostatique (bouillage et hauteur métacentrique) et d'hydrodynamique (masse ajoutée, amortissement des radiations et forces d'excitation des vagues).Pour les systèmes flottants, le système d'amarrage fournit des forces de restauration supplémentaires.

Types de plates-formes éoliennes flottantes en mer et considérations dynamiques des fluides

Les plates-formes éoliennes flottantes sont généralement classées en quatre types principaux, chacun présentant des caractéristiques hydrodynamiques distinctes et des défis de stabilité.

Plateformes de spar

Les plates-formes de spar sont constituées d'un cylindre long et mince avec un tirant d'eau profond, souvent 100 m ou plus, et de ballast au fond pour abaisser le centre de gravité bien au-dessous du centre de flottabilité. Cette conception fournit une excellente stabilité statique et des fréquences naturelles basses de pitch/heave. Cependant, le tirant d'eau les rend sensibles aux vagues de longue période et aux mouvements induits par le vortex (VIM).

Plateformes semi-sous-marines

Les semi-sous-marins ont généralement trois ou quatre colonnes reliées par des pontons, avec un tirant d'eau peu profond par rapport aux espars. Ils comptent sur une grande zone d'hydravion pour obtenir la stabilité. Leur faible tirant d'eau les rend adaptés à une large gamme de profondeurs d'eau, mais ils sont plus sensibles aux mouvements de fréquence des vagues. La résonance de la charge peut être atténuée en harmonisant la géométrie du ponton et en ajoutant des plaques de charge. L'optimisation dynamique de la fluide consiste à minimiser les forces d'excitation des vagues tout en maximisant l'amortissement des radiations.

Plates-formes de jambes de tension (TLP)

Les TLP utilisent des tendons d'amarrage verticaux tendus par une flottabilité excessive, créant un système très rigide. Cela élimine presque les mouvements de houle, de tangage et de roulis, mais les périodes naturelles de surtension et de balancement peuvent être longues (60 à 100 s). Les défis de dynamique des fluides comprennent la fatigue des tendons due aux charges de fréquence des vagues et à l'éparpillement du vortex.

Plates-formes de barge

Les plates-formes de type barge sont des boîtes simples et flottantes avec une grande surface d'hydravion, offrant un tirant d'eau peu profond et une facilité d'assemblage. Leur stabilité provient principalement d'une hauteur métacentrique élevée, mais elles subissent de grands mouvements induits par les vagues, surtout en hauteur et en roulis. En raison du volume important de la coque, les forces d'excitation des vagues sont élevées et l'amortissement est faible, à moins que des caractéristiques supplémentaires telles que les quilles de cale ou les réservoirs de ballast d'eau ne soient utilisées.

Techniques avancées de modélisation de la dynamique des fluides

La prédiction précise de la stabilité de la plate-forme nécessite des outils numériques sophistiqués qui capturent le couplage entre l'aérodynamique, l'hydrodynamique, la dynamique structurelle et les systèmes d'amarrage.

Dynamique des fluides informatiques (CFD)

La CFD résout les équations de la modélisation de la navigation (RANS) ou de la simulation de gros radeaux (LES) moyennes de Reynolds pour résoudre les détails de débit autour de la coque, des appendices et des lignes d'amarrage. La CFD sert à déterminer la masse ajoutée, les coefficients d'amortissement et le déroulement des vagues, ainsi qu'à étudier l'éventement du vortex et le VIM. Elle est également utilisée pour optimiser la forme des plaques de hache, des jupes et des déflecteurs d'onde.

Modèles de flux potentiels

Les méthodes des éléments de bordure (BEM) basées sur la théorie du débit potentiel sont largement utilisées dans l'industrie pour leur efficacité.Ces modèles supposent un débit irrotationnel inviscide et peuvent calculer les forces d'onde, la masse ajoutée et l'amortissement des radiations sur une gamme de fréquences. Ils sont combinés avec l'équation de Morison , pour tenir compte de la traînée visqueuse sur les membres minces.

Simulation entièrement couplée Aero-Hydro-Servo-Elastic

Les codes modernes de conception tels que OpenFAST (NREL), HAWC2 (DTU) et les modèles aérodynamiques en couple de lames (DNV) (BEM ou CFD) avec des modèles hydrodynamiques (écoulement potentiel + Morison) et dynamique structurelle (élément fini ou multicorps).Ces outils simulent la réponse complète du système au vent, aux vagues et au courant, y compris les actions de contrôleur (p. ex., pas de pale et couple du générateur). Ils sont essentiels pour évaluer les mesures de stabilité comme l'angle de pas de la plate-forme, la tension d'amarrage et les niveaux d'accélération.

Stratégies de conception novatrices pour une stabilité accrue

En appliquant les perspectives de dynamique des fluides, les ingénieurs ont développé de multiples stratégies pour améliorer la stabilité des plates-formes flottantes.

Façonnage et appendices hydrodynamiques

Pour les espars et semi-sous-marins, les plaques de charge (plaques horizontales à la base) augmentent la masse ajoutée et l'amortissement dans le heave. Les quilles de bille sur les barges et semi-sous-marins augmentent l'amortissement du rouleau. Les jupes de déflecteur ou les coquilles perforées peuvent briser les vagues entrantes et réduire le roulement des vagues. La forme des bases de colonnes est souvent optimisée en utilisant CFD pour minimiser les forces de déplacement et de déplacement.

Systèmes de contrôle actif

Les systèmes de positionnement dynamique (DP) utilisent des propulseurs pour contrer la dérive et les mouvements à basse fréquence, mais ils sont à forte intensité énergétique. Une approche plus efficace est le contrôle actif du ballast, où l'eau est pompée entre les réservoirs pour ajuster l'assiette de la plate-forme. Les amortisseurs de masse (TMD) ou les amortisseurs liquides (TLD) peuvent être installés à l'intérieur de la tour ou de la coque pour absorber l'énergie résonante.

Optimisation du système d'amarrage

Les lignes d'amarrage constituent la principale force de restauration des mouvements horizontaux. Le choix du matériau (chaîne d'acier versus cordes synthétiques) et de la configuration (caténaire, jambe-taut ou hybride) affecte la réponse statique et dynamique. Les cordes synthétiques offrent un poids plus faible et une conformité plus élevée, réduisant les charges de pointe mais augmentant les excursions de surtension. Les modules de flottabilité distribués peuvent réduire la masse du système d'amarrage et améliorer l'amortissement.

Dispositifs de dissipation d'énergie des vagues

Les caractéristiques innovantes de la coque, telles que les écrans d'ondes ou les coquilles extérieures perforées, peuvent dissiper l'énergie des vagues avant qu'elle ne atteigne la plate-forme. Ces dispositifs augmentent l'amortissement en forçant l'eau par des ouvertures étroites, en convertissant l'énergie cinétique des vagues en turbulence.

Redondance et fiabilité structurelles

Au-delà de la dynamique des fluides, la stabilité exige également une conception structurelle robuste. Les lignes d'amarrage, les compartiments étanches et les systèmes de ballast d'urgence garantissent que même si un sous-système échoue, la plate-forme reste stable.

Études de cas et développements de la recherche

Plusieurs projets commerciaux et de démonstration ont réussi à appliquer la dynamique des fluides pour obtenir une stabilité fiable.

Hywind Scotland (Equinor) était le premier parc éolien flottant au monde, utilisant des plates-formes de spar avec un tirant d'eau profond et trois lignes d'amarrage. De vastes essais CFD et des réservoirs ont été effectués pour optimiser la conception des spars et valider sa réponse aux conditions des vagues de la mer du Nord.

WindFloat Atlantic (Principle Power) utilise une plate-forme semi-submersible avec trois colonnes et un système de plaques d'amortissement. La conception a incorporé l'optimisation CFD de l'espacement des colonnes et des plaques de gaine pour minimiser les mouvements et permettre l'utilisation de turbines disponibles sur le marché.

TetraSpar (Stiesdal Offshore) est une plate-forme modulaire de type barge qui utilise une conception légère avec une tour centrale et un ballast. Les simulations dynamiques de fluidisation ont aidé à affiner la forme de la coque pour réduire les charges d'onde, et la plate-forme est conçue pour une production de masse rentable.

Des projets de recherche financés dans le cadre du programme Horizon 2020 de l'Union européenne, tels que LIFES50+[, ont mené de vastes études sur les réservoirs à vagues et les CFD pour développer des concepts novateurs d'amarrage et de contrôle.

Orientations futures

La prochaine génération de plates-formes éoliennes flottantes en mer bénéficiera des progrès continus de la dynamique des fluides.

Digital Twins:[ La surveillance en temps réel combinant les données des capteurs avec des modèles dynamiques de fluides à ordre réduit permettra aux opérateurs de prévoir et d'atténuer les problèmes de stabilité avant qu'ils ne se produisent.

Turbines de largeur:[ Comme la puissance de la turbine dépasse 15 MW, la poussée du rotor et les dimensions de la tour augmentent. Les plates-formes flottantes doivent s'écheller en conséquence, et la dynamique des fluides jouera un rôle clé dans l'optimisation des dimensions de la coque pour éviter la résonance avec la turbine.

Floating Wind Farms:[ Les effets de réveil de plusieurs turbines dans un réseau peuvent affecter la stabilité globale des plates-formes de vent aval. Des simulations de CFD à l'échelle de la ferme sont en cours de développement pour tenir compte des interactions vent-ondes-courant au niveau du réseau.

Extreme Event Resilience:[ Le changement climatique peut intensifier les hauteurs des vagues et les ondes de tempête.Les modèles de dynamique des fluides qui intègrent des charges de rupture et de claquement des vagues non linéaires seront essentiels pour concevoir des plates-formes qui peuvent survivre à des événements de la période de retour de 50 et 100 ans.

Conclusion

La dynamique des fluides est un outil indispensable pour améliorer la stabilité des plates-formes éoliennes flottantes en mer. En comprenant et en modélisant les interactions entre les vagues, les courants, le vent et la plate-forme elle-même, les ingénieurs peuvent concevoir des structures sûres, efficaces et économiquement viables. Du choix du type de coque à l'optimisation des systèmes d'amarrage et des commandes actives, tous les aspects de la conception des plates-formes éoliennes flottantes sont influencés par la dynamique des fluides.