Vents, sel, courants, vagues et tempêtes… Les éoliennes en mer affrontent des conditions extrêmes qui poussent leurs concepteurs à prendre des marges de sécurité pour assurer leur résistance. Et ce d’autant plus que le niveau d’incertitude sur les conditions environnementales et sur le comportement des éoliennes reste important pour cette jeune industrie. Le projet européen Hiperwind, mené de 2020 à 2024, s’est attaqué à ce problème pour réduire le coût de cette énergie renouvelable.
Avec succès, puisqu’est revendiquée une chute potentielle de 9 % de son coût énergétique nivelé (LCOE). Ces résultats sont le fruit d’une meilleure gestion des incertitudes dans la chaîne de modélisation liée à la conception des éoliennes.
Sept partenaires pour mieux maîtriser les incertitudes
Le projet Hiperwind a réuni sept partenaires industriels et académiques : EDF, Ifpen, Electric Power Research Institute (EPRI) Europe, DTU Wind and Energy Systems, Det Norske Veritas (DNV), l’école polytechnique fédérale de Zurich (ETH Zurich) et l’université de Bergen (Norvège).
Il s’est appuyé sur l’étude du champ éolien du Teesside, géré par EDF en mer du Nord. « C’est un parc représentatif de la plupart des autres parcs installés au début du projet, dans les années 2010, notamment par ses fondations à monopieux et avec l’utilisation de turbines d’une puissance d’un peu moins de 3 MW », précise Martin Guiton, chef de projet recherche éolien à l’IFPEN. Des données et des modèles spécifiques au parc éolien ont été utilisés pour identifier et quantifier les incertitudes liées à la conception des mâts des éoliennes et de leurs fondations. « Nous avons remarqué que la conception et la maintenance des parcs éoliens en mer résultaient de beaucoup d’a priori et de marges conservatrices d’incertitudes », explique Martin Guiton.
Les membres du projet ont conduit des études de caractérisation des conditions environnementales, qui n'avaient pas été réalisées los de la conception du parc, ainsi que des modélisations atmosphériques, aérodynamiques et hydrodynamiques. « La spécificité du projet a été de couvrir l’ensemble des modèles physiques, de caractériser les sources d’incertitudes les plus importantes à chaque niveau et de les propager. Tout cela pour obtenir une évaluation la plus maîtrisée possible des incertitudes sur les différentes défaillances possibles de la structure », détaille Martin Guiton.
Réduire l’épaisseur des éoliennes et optimiser leur planning de maintenance
Cette méthodologie nouvelle serait, d’après lui, la clé d’un coût de calculs moindre pour les industriels : « Les méthodologies préexistantes pour caractériser les défaillances des structures des éoliennes, du fait de la rareté de ces évènements, n’étaient pas accessibles sur des projets industriels. Un des résultats du projet Hiperwind a été de développer une méthodologie cherchant à optimiser et à réduire le coût-calcul au maximum et de le rendre accessible dans un contexte industriel ».
L'ensemble des travaux menés ont permis aux partenaires de reconcevoir le parc du Teeside en optimisant ses caractéristiques. L’épaisseur des monopieux et des tours des éoliennes a pu ainsi être réduite pour une diminution de 21 % de leur poids, tout en garantissant que la structure satisfasse les objectifs de sécurité.
En se basant sur les prédictions de défaillance obtenues grâce aux résultats d’Hiperwind, celles des conditions météorologiques et des périodes de faible prix de l’énergie, il serait également possible, d’après les membres du projet, d’optimiser les planifications de maintenance des éoliennes et l’envoi programmé des flottes de bateaux. Au total, ces résultats aboutissent à un baisse d’environ 9 % du LCOE en mer, « voire 10 % si l’on considère le cas le plus optimiste dont nous disposons. Même dans le cas le moins optimiste, cette diminution s’élèvera toujours à 5 % », pointe dans un communiqué Clément Jacquet, directeur d’EPRI Europe.
Une méthodologie transposable
Bien qu’applicables uniquement au parc éolien de Teesside, ces résultats procèdent d'une méthodologie qu’il sera possible de reprendre et d’appliquer à la conception de nouveaux parcs, explique Martin Guiton : « Il existe des complexités supplémentaires, comme la prise en compte des turbines modernes de très grande taille et de leurs interactions avec la couche limite atmosphérique. Ce cas reste du ressort de la recherche, car il fait appel à des phénomènes physiques peu étudiés. Mais la maîtrise des différentes étapes de la chaîne de modèles physiques et la capacité à propager les incertitudes sont transposables ».
La méthodologie d’Hiperwind a déjà donné lieu à de premières applications : l’ETH Zurich les utilise pour résoudre des problématiques liées à la fragilité sismique de bâtiments situés dans des environnements complexes et à la conception de grands bâtiments soumis à des excitations éoliennes aléatoires. De son côté, l'Ifpen utilise les résultats d’Hiperwind pour quantifier avec précision les charges de fatigue des éoliennes dues à différentes forces (vent, vagues, vibrations, etc.).
Pour apporter encore plus de précision à leur méthodologie, la suite d’Hiperwind pourrait s’inscrire en collaboration avec les fabricants d’éoliennes, comme le souligne Martin Guiton : « La partie concernant la résistance des matériaux utilisés pour concevoir les éoliennes en mer n’a pas été abordée au cours du projet, faute de moyens. Les incertitudes y sont complexes, il est nécessaire de collaborer avec les fabricants qui suivent différents niveaux de normes. »
