Mise en œuvre d'un système de positionnement dynamique basé sur les thrusters pour les parcs éoliens offshore

L'énergie éolienne offshore se développe rapidement, les turbines étant installées plus loin de la rive et dans des eaux plus profondes où les forces environnementales sont plus sévères. Le maintien de la stabilité de la position est essentiel à la stabilité des fondations flottantes et à la production optimale d'énergie.Un système de positionnement dynamique (DP) basé sur un propulseur offre un moyen actif de maintenir une éolienne flottante ou un navire de soutien sur station sans compter sur des systèmes d'amarrage passifs.

Le positionnement dynamique n'est pas un nouveau concept en pétrole et gaz en mer, mais son adaptation aux parcs éoliens nécessite une adaptation soignée. Contrairement à un navire de forage qui peut se déplacer, une éolienne doit rester à une coordonnée fixe pendant des décennies. Le système DP doit donc fournir une fiabilité élevée, une faible consommation d'énergie, et une intégration transparente avec les commandes de turbine et le réseau.

Principes fondamentaux de la position dynamique pour les applications de turbine éolienne

Un système de positionnement dynamique utilise des propulseurs commandés par ordinateur pour contrer les forces extérieures du vent, des vagues et des courants, en maintenant une position et un cap précis. Pour les éoliennes flottantes en mer (FWT), le système DP fonctionne en conjonction avec la turbine et le contrôle de la hauteur et l'hydrodynamique du flotteur pour maintenir la structure dans un rayon serré, souvent à quelques mètres de la coordonnée de la cible.

Il existe deux grandes catégories de systèmes de positionnement pour les structures flottantes : l'amarrage passif (caténaire ou à jambe dentée) et le DP actif basé sur un propulseur. Bien que l'amarrage soit moins cher pour les eaux peu profondes et les conditions modérées, les sites en eau profonde favorisent le DP car il élimine les systèmes d'ancrage lourds et réduit l'empreinte des fonds marins.

Les organismes de réglementation tels que Organisation maritime internationale (OMI) classent les systèmes DP en trois classes d'équipement fondées sur la redondance. La classe 1 n'a pas de redondance, la classe 2 a dupliqué les composants essentiels et la classe 3 assure une redondance complète avec séparation physique (compartiments étanches au feu/à l'eau).

Composantes essentielles d'un système DP basé sur les thrusters

Thrusters

Les thrusters génèrent les forces latérales et longitudinales nécessaires pour contrer la dérive.

  • Propulseurs azimuts:[ Hélices montées sur des podelles qui peuvent tourner à 360 degrés, fournissant à la fois la direction de poussée et la magnitude.
  • Propulseurs de tune:[ Fixés dans des tunnels transversaux à travers la coque ou les pontons flottants, générant une force latérale seulement. Ils sont plus simples et moins chers mais offrent moins de maniabilité.

Pour une turbine flottante, un ensemble de quatre propulseurs azimuts (un à chaque coin de la flotteuse) est un arrangement commun, fournissant un contrôle complet 3-DOF. Le calibrage Thruster doit tenir compte des charges environnementales les plus mauvaises, généralement une condition de tempête de 50 ans avec vent combiné, onde et courant.

Capteurs et systèmes de référence

La détection précise de la position et des forces environnementales est l'épine dorsale de tout système DP.

  • Systèmes mondiaux de navigation par satellite (GNSS):[ Des récepteurs GPS ou multiconstellations cinématiques en temps réel (RTK) permettent de positionner le centimètre.
  • Unités de mesure inertielles (UMI): Les accéléromètres et les gyroscopes remplissent les lacunes entre les mises à jour du GNSS et fournissent des données de pas/roulement.
  • Capteurs de vent et d'onde: Les anémomètres et les radars d'onde se nourrissent dans le contrôle de l'alimentation avant pour régler de façon préventive les réglages du propulseur.
  • Profileurs actuels: Les profileurs de courant acoustique Doppler (ADCP) mesurent la vitesse et la direction du courant à plusieurs profondeurs, critiques pour une prédiction précise de la charge.

Plusieurs capteurs sont utilisés dans des filtres complémentaires ou des filtres Kalman pour fusionner les données et fournir une estimation de l'état robuste.

Architecture du système de contrôle

Le système de contrôle DP est le cerveau de l'opération. Il fonctionne sur un système informatique redondant avec les algorithmes de base suivants:

  • Estimation de l'état:[ Les filtres Kalman étendus (EKF) ou les filtres Kalman non parfumés (UKF) évaluent la position du navire/turbine, la vitesse et les forces environnementales à partir de relevés sonores de capteurs.
  • Contrôleur: Un contrôleur basé sur un modèle (souvent PID avec flux de l'environnement mesuré et logique d'allocation de contrôle) calcule les forces et les moments requis.
  • Attribution de la confiance:[ Convertit les forces demandées en commandes de propulseur individuelles (rpm, pitch, azimut) tout en minimisant l'utilisation de la puissance et en évitant les interactions de propulseur.

Les systèmes modernes de PDD intègrent également une analyse de la capacité de positionnement dynamique[ à l'aide de diagrammes de capacité de PDD, montrant la vitesse maximale du vent que le système peut supporter à une position donnée.

Alimentation et distribution d'électricité

Les thrusters nécessitent une puissance électrique importante, souvent dans la gamme mégawatt pour les grandes turbines. L'alimentation doit être fiable et tolérante aux défauts.

  • Générateurs diesel dédiés ou batteries hybrides pour le système DP, séparés de l'éolienne et du générateur principal no 8217.
  • Alimentations non interruptibles (UPS) pour ordinateurs de commande et capteurs.
  • Système de gestion de l'alimentation (SGP) pour gérer le partage de la charge et la prévention de l'effacement.

L'intégration avec la turbine et la machine n° 8217;s est bénéfique en fonctionnement normal, mais la production de sauvegarde est nécessaire pour survivre en cas de conditions de vent calme ou de pannes du réseau.

Processus de mise en oeuvre : du sondage sur le site à la mise en service

Étape 1: Évaluation du site et données météorologiques

La collecte complète de données environnementales est la première étape, qui comprend les spectres à long terme des vagues, les courants de marée et de vent, les phénomènes extrêmes de tempête et les conditions du fond marin pour tout élément d'amarrage restant.Les données de WindEurope[ ou les études métocéennes locales peuvent éclairer les critères de conception.

Étape 2: Conception et calibrage du système

Les paramètres clés sont la poussée de turbine du vent, la force de dérive des vagues et la traînée du courant. Le résultat est un tracé de capacité DP qui définit l'enveloppe de fonctionnement sécuritaire. Les tailles de thruster (diamètre, puissance, force de poussée) sont sélectionnées de façon à ce que le système puisse maintenir sa position dans une tempête de 100 ans avec une marge de sécurité. Les exigences de redondance dictent le nombre de propulseurs : au moins quatre propulseurs azimuts pour la classe 2, ou plus pour la classe 3 avec compartiments séparés.

La conception du système de contrôle comprend le choix de la bande passante de suivi de référence (la vitesse de la turbine peut suivre la position commandée) et le réglage des gains du contrôleur par simulation. Des approches modernes comme le contrôle prédictif du modèle (MPC) sont adoptées pour le DP basé sur le propulseur car elles peuvent gérer les contraintes (limites de puissance de distorsion, limites de vitesse) explicitement.

Étape 3: Installation du matériel

L'installation se fait soit dans un quai sec (pour les flotteurs de construction neuve) ou sur place avec des élévateurs lourds pour la rénovation. Les thrusters doivent être montés avec un alignement approprié et scellés pour empêcher l'entrée d'eau. Les réseaux de capteurs sont placés à des endroits stratégiques : antennes GNSS au sommet de la nacelle de turbine, IMU au centre de flottaison, et anémomètres sur le moyeu de turbine.

Dans certains cas, un navire flottant équipé d'un système DP peut se positionner dynamiquement tout en assemblant des tours de turbine sur place, ce qui rend le PDP basé sur un propulseur essentiel pour la phase de construction.

Étape 4: Intégration et configuration du logiciel de contrôle

L'intégration avec le système de commande de turbine (pitch et lacet) est essentielle : pendant les vents violents, la turbine peut lacer pour réduire les charges latérales, et le système DP doit s'adapter en conséquence. Des protocoles de communication (p. ex. Modbus TCP/IP, OPC UA) sont établis entre le contrôleur DP, les moteurs de propulseur et les capteurs.

Étape 5: Essais et étalonnage

Les essais se déroulent en plusieurs étapes:

  • Test d'acceptation des caractéristiques (TAF):[ Simulation du contrôleur DP dans un environnement matériel dans la boucle (HIL) avec des perturbations réalistes.
  • Essais à quai sec :[ Vérification de la rotation du propulseur, du réglage de la hauteur et des temps de réponse sans charge d'eau.
  • Essais en mer: Après le lancement, le système est testé dans des états de mer en augmentation progressive. Maneuvers incluent la station-maintien avec des décalages et des changements de cap. Les essais de redondance (défaut simulé d'un propulseur ou d'un capteur) confirment la capacité du système DP et de maintenir la position.
  • Essais de tolérance environnementale:[ Algorithmes d'étalonnage qui compensent les forces environnementales en comparant les prédictions de simulation avec les erreurs mesurées réelles.

Tous les tests sont documentés dans un rapport d'analyse des capacités du PDD, comme l'exigent les sociétés de classification, comme DNV ou Lloyd’s Register.

Étape 6 : Mise en service et surveillance continue

Une fois les essais réussis, le système est commandé pour un fonctionnement à temps plein. Un centre de surveillance à distance suit les indicateurs de performance du DP (erreur de position, charge du propulseur, consommation de carburant) et génère des alertes pour la maintenance. L'étalonnage régulier des capteurs (p. ex., dérive gyroscopique, GNSS multipath) est prévu.

Avantages opérationnels du PDD basé sur le tristor

La mise en place d'un système de PDD basé sur les propulseurs pour les parcs éoliens offshore présente de multiples avantages au-delà de la simple station-service :

  • Production d'énergie plus élevée:[ La turbine peut rester alignée avec le vent dominant dans des tolérances serrées, maximisant l'efficacité du rotor sans attendre que l'amarrage passif se réaligne.
  • La fatigue structurelle réduite:[ L'amortissement actif des mouvements induits par les vagues réduit les charges sur les composants de la tour et de la nacelle, prolongeant la durée de vie de la turbine.
  • Coûts d'installation et d'entretien plus faibles:[ Pour les turbines flottantes, DP élimine le besoin de grandes ancres et chaînes d'amarrage, qui sont coûteuses à installer et à entretenir en eau profonde.
  • Sécurité améliorée:[ La prévention automatique de la dérive pendant les événements extrêmes protège le personnel pendant les visites d'entretien ou de réparation. Le système peut également exécuter des séquences d'arrêt d'urgence et maintenir la turbine dans un cap sûr.
  • Flexibilité dans la structure de l'exploitation: Parce que DP permet un placement et un repositionnement précis, les turbines peuvent être espacées de façon plus optimale pour la gestion des sillages et le câblage, ce qui améliore l'efficacité globale de l'exploitation.

Défis et considérations pratiques

Malgré les avantages, la mise en place d'un système de PDD basé sur un propulseur n'est pas une mince affaire.

Coûts d'investissement et coûts opérationnels élevés

Les frais d'exploitation augmentent également en raison de l'usure du carburant (ou de la batterie) pour les propulseurs. Cependant, comme l'industrie éolienne offshore se déplace plus loin au large des eaux plus profondes, l'écart de coûts se réduit parce que les systèmes d'amarrage deviennent extrêmement lourds et coûteux.

Fiabilité et complexité des logiciels

Le système de contrôle DP doit pouvoir gérer les défaillances des capteurs, le filtrage de la fréquence des vagues et les changements de conditions environnementales sans perdre de position. Les bogues logiciels ou l'étalonnage défectueux peuvent entraîner une dérive, une collision avec des turbines adjacentes ou une déconnexion de grille.

Conformité de la réglementation et de la société de classe

Les directives du PDD de l'OMI (MSC/Circ.645) sont rédigées pour les navires et non pour les turbines fixes. Les sociétés de classification comme DNV ont publié des pratiques recommandées (DNV-RP-E307 pour les propulseurs, DNV-OS-C101 pour les systèmes DP), mais les propriétaires doivent travailler en étroite collaboration avec la classe pour définir d'autres voies de conformité.

Entretien des composants sous-marins

Les inspections sous-marines régulières (p. ex., avec des VAR) et les remplacements de propulseurs nécessitent des navires et des plongeurs spécialisés. La nécessité d'entretien peut compenser certains gains opérationnels pendant les temps d'arrêt non prévus. L'utilisation de la commande de pas d'hélice ou de propulseurs rétractables peut atténuer certains risques.

Cybersécurité

Les systèmes modernes de PDD sont en réseau et souvent surveillés à distance, ce qui les rend vulnérables aux cyberattaques. Une prise de contrôle malveillante pourrait faire dériver la turbine et entrer en collision avec d'autres.

Échanges de la consommation d'énergie

Dans un parc éolien flottant, le système PDD d'une seule turbine peut consommer jusqu'à 10 % de sa puissance nominale pendant les conditions normales, et plus encore pendant les tempêtes. Cette perte parasitaire réduit l'exportation nette d'énergie. Les progrès dans les stratégies de contrôle, comme l'utilisation du rotor de turbine comme un “sail” pour réduire les charges, peuvent réduire l'utilisation de propulseur.

Orientations futures et innovations

Le champ de PDD pour parcs éoliens est en évolution rapide.

  • PDD autonome avec planification probabiliste: Les systèmes futurs intégreront la prévision météorologique pour ajuster la poussée de façon préventive et optimiser l'utilisation du carburant.
  • Intégration avec les services du réseau:[ Les onduleurs de propulseur DP peuvent fournir un support de puissance réactif au réseau lorsqu'il n'est pas complètement chargé, transformant l'électronique de puissance en un atout précieux.
  • Entretien basé sur la condition:[ Utiliser les données de vibration du propulseur, l'analyse d'huile et les signatures de couple pour prédire les défaillances avant qu'elles ne se produisent, réduisant ainsi les temps d'arrêt imprévus.
  • PDD partagé entre les grappes de parcs éoliens:[ Un seul navire de service équipé d'un PDD pourrait se positionner dynamiquement près des turbines et transférer du personnel ou des composants sans que chaque turbine ait sa propre suite complète de PDD.

La recherche dans des établissements comme Énergie renouvelable offshore (ERE) Catapult explore la façon de normaliser les interfaces PDD pour l'industrie éolienne afin de réduire les coûts et d'accélérer le déploiement.

Conclusion

Un système de positionnement dynamique basé sur un propulseur offre une solution convaincante pour les parcs éoliens flottants en mer, qui visent une stabilité, une sécurité et un rendement énergétique élevés dans des environnements difficiles. La mise en œuvre exige une approche systématique : évaluation approfondie du site, sélection rigoureuse du propulseur et du matériel de capteur, conception d'algorithmes de contrôle robustes et essais exhaustifs. Bien que les coûts et la complexité demeurent supérieurs aux alternatives passives, la flexibilité, l'impact réduit des fonds marins et la surveillance précise des stations font de DP un choix attrayant pour les projets en eau profonde.