Les sources d'énergie traditionnelles comme les générateurs de surface ou les batteries peuvent être limitées en efficacité et en longévité, surtout lorsque les champs se déplacent vers des eaux plus profondes, plus loin de la rive, ou nécessitent des distances de retenue prolongées. Les innovations récentes dans la production d'électricité sous-marine transforment la façon dont ces sites sont alimentés, accroissant la sécurité, l'efficacité et la durabilité tout en réduisant la dépendance à l'égard des plates-formes haut de gamme coûteuses et de longs ombiliaires.

La nécessité d'une puissance subsea dans les opérations offshore modernes

Les équipements de traitement sous-marin – tels que les pompes multiphasées, les systèmes de séparation et les compresseurs – exigent une puissance électrique importante pour stimuler la production, prolonger la durée de vie sur le terrain et permettre des développements plus longs. Les méthodes traditionnelles de distribution de l'énergie depuis la surface par des câbles sous-marins sont confrontées à des limites techniques et économiques : chute de tension sur de longues distances, dépenses en capital élevées pour les câbles à grand diamètre et vulnérabilité aux dommages mécaniques.

Parallèlement, l'industrie se dirige vers des systèmes sous-marins entièrement électriques, qui éliminent les fluides de régulation hydraulique et réduisent le poids de surface. L'alimentation de ces systèmes à partir d'une plate-forme éloignée ou d'une installation terrestre devient peu pratique au-delà de 100–150 km. La production d'électricité submarine offre une alternative : produire de l'électricité directement sur le fond marin, en utilisant des ressources énergétiques locales comme les courants océaniques, le gaz naturel du réservoir ou l'hydrogène.

Les innovations clés dans la production d'énergie sous-marine

Plusieurs technologies sont maintenant à l'avant-garde de la production d'électricité sous-marine, chacune présentant des avantages distincts pour différentes conditions d'exploitation. Les plus prometteuses sont les turbines sous-marines, les piles à combustible, les systèmes hybrides et les concepts émergents comme les turbines à gaz sous-marins et le stockage d'énergie.

Turbines sous-marines

Les turbines sous-marines exploitent l'énergie cinétique des courants et des marées océaniques pour produire de l'électricité. Conçues pour des environnements corrosifs à haute pression, ces turbines sont généralement montées sur des fondations gravimétriques ou ancrées au fond des mers. Elles produisent une puissance continue et prévisible dans des régions à fort courant de marée ou des courants océaniques constants. Par exemple, des systèmes tels que la turbine Sabella D10 (évaluée à 200 kW) ont été testés dans des applications de terrain lointaines, prouvant que l'énergie du courant marin peut soutenir de façon fiable les pompes hydrauliques sous-marines et les systèmes de contrôle.

Bien que les courants de marée soient propres à un site, de nombreux bassins d'eau profonde (par exemple, au large du Brésil, en Afrique de l'Ouest et en mer du Nord) connaissent des débits suffisamment importants pour générer une puissance significative.Les principaux défis techniques sont l'encrassement, la corrosion et le maintien de joints de rotation sous pression extrême.

Piles à combustible subsea

Pour les applications sous-marines, les piles à combustible à échange de protons (MEP) et à oxyde solide (SOFC) sont les plus étudiées. Les piles à combustible à combustible à EP fonctionnent à basse température (60–80°C) en utilisant de l'hydrogène pur et de l'air (ou de l'oxygène), produisant uniquement de l'eau et de la chaleur comme sous-produits.

Les SOFC fonctionnent à des températures plus élevées (600–1000°C) et peuvent fonctionner directement sur le gaz naturel, réformant le méthane à l'intérieur, ce qui est un avantage majeur pour les installations sous-marines parce que le transport et le stockage de l'hydrogène sont évités. Des projets comme Cellule à combustible sous-marin de DeepSea[ (développée par Aker Solutions et d'autres) ont démontré des systèmes SOFC à l'échelle kilowatt dans des réservoirs d'essai sous pression.

Turbines sous-marines à gaz

Bien que moins médiatisées, les turbines à gaz sous-marins sont en cours de développement pour des applications à haute puissance (échelle de mégawatts), qui sont dérivées de turbines à gaz aéro-dérivées ou industrielles, adaptées pour une utilisation sous-marine en remplaçant l'apport d'air par un apport d'oxygène à bord ou en utilisant l'eau environnante comme puits de chaleur. Par exemple, le GE Subsea Power System[, qui intègre une turbine à gaz avec un générateur refroidi par eau dans un boîtier à pression, brûle le gaz naturel du réservoir, produisant de l'électricité directement sur le site du puits.

Systèmes hybrides et stockage d'énergie

Les systèmes hybrides combinent deux technologies de génération ou plus avec un stockage d'énergie pour équilibrer l'offre intermittente et la demande variable. Par exemple, une turbine sous-marine fournit de l'énergie de base, tandis qu'une pile à combustible ou une banque de batteries gère les charges maximales ou comble les lacunes pendant la marée de relâche.

Les systèmes de gestion de l'énergie (SME) coordonnent ces sources, maximisant l'utilisation des énergies renouvelables et réduisant la consommation de carburant. Ces systèmes sont particulièrement attrayants pour les puits satellites éloignés qui ne sont pas continuellement fréquentés; l'usine hybride peut fonctionner de façon autonome pendant des mois, transmettant des données d'état par des modems acoustiques ou inductifs.

Avantages pour les opérations à distance dans les champs pétrolifères

Les systèmes modernes d'alimentation sous-marine offrent des avantages concrets qui améliorent l'économie des projets et la performance environnementale :

  • Reliabilité améliorée:[ La production d'énergie localement élimine le point de défaillance le plus long, le câble ombilical ou le générateur de dessus. Les centrales électriques sub-sea sont conçues pour une grande disponibilité (souvent > 98%), avec plusieurs redondances et diagnostics à distance.
  • Avantages environnementaux:[ Les turbines sous-marines produisent des émissions nulles pendant le fonctionnement. Les piles à combustible utilisant du gaz naturel produisent des NOx et des SOx proches de zéro, et si l'hydrogène provient d'une électrolyse renouvelable, les émissions de carbone chutent à zéro. Les turbines à gaz sous-marins peuvent incorporer le captage ou la réinjection du carbone, réduisant de façon spectaculaire l'empreinte carbone globale.
  • Efficience du coût:[ Les dépenses en capital pour la production d'électricité sous-marine sont souvent inférieures à celles des câbles à grande vitesse et de leurs transformateurs et commutateurs associés.Les coûts opérationnels sont réduits parce qu'il n'y a pas de transport continu de carburant (pour la marée) ou parce que le gaz produit est utilisé localement au lieu de torréfié.
  • Flexibilité opérationnelle : Les systèmes d'alimentation sous-marine peuvent être réaménagés sur des arbres ou des collecteurs sous-marins existants sans modifications majeures du dessus. Ils permettent également d'allonger les distances de retenue au-delà de 100 km, ouvrant de nouvelles réserves qui n'étaient auparavant pas rentables.
  • Améliorations de la sécurité :[ La localisation des équipements de production sur les fonds marins réduit le nombre de personnes sur les plates-formes et la nécessité de manutentionner les combustibles dangereux à l'étage supérieur.

Études de cas et déploiements dans le monde réel

Bien que la production d'électricité sous-marine soit encore un créneau, plusieurs projets novateurs ont validé la technologie dans des environnements opérationnels.

L'une des premières démonstrations à grande échelle a été le projet Compression de gaz sous-marin au Equinor’s champ , qui utilisait une turbine à gaz sous-marin de haute puissance pour conduire les compresseurs pour une récupération accrue du gaz.

Un exemple plus récent est la turbine Orbital Marine Power O2, déployée au large des côtes écossaises, qui a servi à alimenter les stations de recharge sous-marines pour les véhicules sous-marins autonomes (AUV).

En 2021, OneSubsea (une société Schlumberger) a annoncé la réussite des essais d'un système de piles à combustible sous-marins de 10 kW, conçu pour alimenter des capteurs sous-marins et des modules de contrôle pendant de longues périodes. Le système a fonctionné pendant plus de 6 mois dans un environnement de fond simulé, prouvant la durabilité des piles à combustible PEM sous pression.

Le stockage d'énergie sous-marin a également été utilisé. Les systèmes de stockage d'énergie par piles (BESS)[ déployés par Saipem en mer Méditerranée fournissent une puissance de secours aux unités de commande sous-marine, assurant ainsi que les vannes et les actionneurs restent fonctionnels pendant les interruptions de puissance du dessus.

Pour de plus amples renseignements sur des projets particuliers, voir Offshore Magazine’s couverture des progrès réalisés dans le domaine des piles à combustible sous-marines et Equinor’s aperçu de la technologie de compression sous-marine.

Défis et obstacles techniques

Malgré des progrès rapides, le déploiement de la production d'électricité sous-marine se heurte à plusieurs défis importants :

  • Haute pression et corrosion:[ L'équipement doit fonctionner à des profondeurs d'eau supérieures à 3000 mètres, avec une pression externe pouvant atteindre 300 bar. Tous les matériaux, joints et pénétrations électriques doivent être soigneusement conçus pour empêcher l'entrée de l'eau de mer.
  • Reliabilité pendant 25 ans et plus: Les systèmes d'alimentation sous-marine doivent être conçus pour une intervention minimale ou nulle pendant la durée de vie du champ.Cela exige des essais approfondis, la dératisation des composants et la redondance intégrée.
  • Fonctionnement et transmission: La tension et la fréquence générées doivent correspondre aux exigences des équipements sous-marins. L'électronique de puissance (p. ex., les lecteurs de fréquences variables) est nécessaire pour convertir et réguler la puissance; ces appareils électroniques eux-mêmes constituent un point de défaillance.
  • Entretien et intervention:[ Si un générateur sous-marin échoue, le coût de mobilisation d'un navire de réparation peut être de millions de dollars par jour. Par conséquent, des conceptions modulaires qui permettent le remplacement d'unités de puissance par ROV sont essentielles.
  • Croissance marine et biosoudure:[ Les turbines sous-marines et les échangeurs de chaleur sont vulnérables à la biosoudure, ce qui réduit l'efficacité et peut bloquer les pièces mobiles.
  • Permis environnementaux: Les turbines à marée peuvent affecter l'hydrodynamique locale et la vie marine.Les piles à combustible, en particulier celles qui utilisent du gaz naturel, nécessitent des permis de combustion (même si les gaz d'échappement sont minimes).

Perspectives d'avenir

La trajectoire de la production d'électricité sous-marine permet une plus grande intégration avec les technologies numériques et autonomes. D'ici 2030, plusieurs tendances remodeleront probablement le paysage.

Smart Grid et Twins numériques

Les opérateurs développent des réseaux intelligents sous-marins qui relient plusieurs sources d'énergie – turbines, piles à combustible, batteries – avec un équilibre de charge en temps réel. Les jumeaux numériques du système d'alimentation permettent aux opérateurs de prévoir les défaillances, d'optimiser la consommation de carburant et de simuler l'impact de l'ajout de nouvelles charges. Cette approche, déjà utilisée dans les systèmes utilitaires de haut niveau, est adaptée pour le sous-marin par des entreprises comme ABB et Siemens Energy[.

Stockage de l'énergie comme service

Plutôt que de posséder des piles, les exploitants peuvent louer des unités de stockage d'énergie sous-marines comme service, le fournisseur étant responsable de l'entretien et du remplacement.

Intégration avec le vent offshore

Bien que les éoliennes offshore soient des structures de surface, leur électricité peut être transmise sous-marine à des têtes de puits éloignées. Cependant, la prochaine étape pourrait être des sous-stations flottantes qui combinent l'énergie éolienne et la production sous-marine, créant un microréseau hybride qui utilise l'énergie de la marée ou des piles à combustible lorsque le vent est faible. Le premier concept de centrale sous-marine[, proposé en Norvège, envisage un moyeu du fond marin qui reçoit de l'énergie des turbines flottantes et le distribue aux unités de traitement sous-marins, éliminant ainsi la nécessité de toute plate-forme habitée.

Puissance des véhicules autonomes sous-marins (AUV)

La production d'énergie submarine peut également servir à la flotte croissante d'UVA utilisées pour l'inspection, l'entretien et la collecte de données.Les stations d'accueil équipées de piles à combustible sous-marines ou de turbines à marée peuvent recharger sans fil les VA (par couplage inductif), permettant des opérations sous-marines persistantes sans navires de soutien de surface.

Long terme : les usines de fonds marins

La vision ultime est l'usine des fonds marins, où tous les équipements de production, de séparation et de compression sont entièrement électrifiés par l'énergie sous-marine locale, ce qui éliminerait la nécessité d'une infrastructure de surface, réduisant considérablement les coûts d'immobilisation et les risques pour la sécurité.Les turbines à gaz sous-marins brûleraient le gaz produit pour produire de l'électricité, tandis que les piles à combustible et les turbines à marée fourniraient des secours.

En résumé, les innovations dans la production d'électricité sous-marine ouvrent de nouvelles possibilités pour les opérations de champs pétrolifères éloignés.Les turbines sous-marines, les piles à combustible et les systèmes hybrides offrent des solutions de rechange fiables, propres et rentables à l'énergie de surface traditionnelle.Bien que des défis techniques subsistent, les projets éprouvés sur le terrain et la R-D en cours indiquent que l'énergie sous-marine deviendra un élément standard du développement des champs en eau profonde au cours de la prochaine décennie.