Ruptures scientifiques et innovation

  • Approche multidisciplinaire pour la caractérisation du couplage houle/vent/structure d’une éolienne flottante.
  • Émulation des mouvements d’un flotteur d’éolienne soumis à la houle dans une soufflerie à couche limite atmosphérique.
  • Expérimentations réalisées en milieux maitrisés (soufflerie atmosphérique) et réel (SEM-REV).
  • Établissement de modèles dynamiques de sillages dédiés à l’éolien flottant.

Impact technique et économique attendu

Le projet FLOATEOLE s’inscrit dans la volonté du laboratoire de recherche en Hydrodynamique, Energétique et Environnement Atmosphérique (LHEEA) de contribuer, à travers une approche multidisciplinaire, à l’optimisation du fonctionnement des éoliennes flottantes par une meilleure compréhension des conséquences du couplage houle/vent/structure sur la performance et la durabilité des aérogénérateurs soumis à des conditions de fonctionnement particulièrement hostiles et non déterministes.

L’objectif est de combiner des expérimentations réalisées en soufflerie et en mer afin de caractériser l’effet de la houle sur le comportement aérodynamique des éoliennes flottantes et sur le développement de leurs sillages. En effet, les interactions de sillages, particulièrement intenses en environnement marin, ont le double inconvénient de pénaliser la ressource éolienne disponible et d’augmenter la fatigue structurelle des éoliennes. Les effets de houle sont émulés en soufflerie par la mise en mouvement contrôlée de modèles d’éoliennes afin de reproduire des états de mer idéalisés, puis plus réalistes. Le comportement instationnaire du sillage des éoliennes soumis à ces mouvements est alors caractérisé afin de proposer des modèles de méandrement de sillage adapté aux éoliennes flottantes. Ce travail est complété avantageusement avec de la mesure in-situ par lidar scannant dans l’environnement proche de l’éolienne-prototype flottante du projet FLOATGEN afin de capturer des informations pertinentes sur la ressource éolienne et sur le sillage en conditions de houle réelles.

Le projet FLOATEOLE permet de conforter la place de la Région Pays de Loire dans le paysage de la recherche en énergie éolienne offshore, en se positionnant sur un défi très actuel, l’optimisation des énergies marines dans l’objectif de répondre aux enjeux énergétiques, climatiques et socio-économiques exigés par le processus de transition énergétique.

Dates clés du projet

  • Novembre 2017 - Lancement du projet
  • Octobre 2019 - Emulation des mouvements 1 DdL du flotteur en soufflerie à couche limite atmosphérique
  • Hiver 2021 - Emulation des mouvements 3 DdL du flotteur en soufflerie à couche limite atmosphérique
  • Automne 2021 - Mesures de la ressource éolienne sur le prototype FLOATGEN installé au SEM-REV
  • Novembre 2021 - Modèles dynamiques de sillages pour éoliennes flottantes

Démonstrateur

Émulateur des mouvements d’un flotteur d’éolienne soumis à la houle dans une soufflerie à couche limite atmosphérique.

Résultats

La première année avait été principalement consacrée à la préparation des outils nécessaires au démarrage du volet expérimental en soufflerie du projet FLOATEOLE (conditionnement de la soufflerie atmosphérique et validation, choix de l’émulateur de mouvement). Pour ce faire, un élève ingénieur en stage de fin d’étude a travaillé pendant cinq mois à la détermination du cahier des charges pour le choix du système électromécanique qui sera utilisé en soufflerie afin d’émuler les mouvements du flotteur. Il a également dimensionné le dispositif expérimental utilisé dans la soufflerie atmosphérique du laboratoire permettant la reproduction à échelle très réduite d’une couche limite atmosphérique de type marine. Il a réalisé des mesures préliminaires, permettant au doctorant recruté en octobre 2018 de démarrer de façon optimale son travail de thèse.

La deuxième année a été consacrée à la finalisation de la reproduction de la couche limite atmosphérique marine à l’échelle du 1/500 et à la caractérisation de l’écoulement en aval d’un modèle d’éolienne basé sur le concept de disque poreux. Le développement d’un dispositif de reproduction à l’échelle d’un degré de liberté des mouvements d’un flotteur a également été réalisé. Le premier mouvement testé a été un mouvement harmonique de cavalement. Une étude paramétrique sur l’amplitude et la période du mouvement a été réalisée et a déjà permis de mettre en évidence une réduction du taux de turbulence à une distance de quatre unités de diamètre en aval du modèle d’éolienne lorsqu’il est soumis à un mouvement de cavalement. Ces résultats très récents demandent à être complétés et interprétés.

Profils verticaux de vitesse moyenne en aval d’un modèle d’éolienne flottante en fonction de la fréquence imposée de cavalement.

Profils verticaux de vitesse moyenne en aval d’un modèle d’éolienne flottante en fonction de la fréquence imposée de cavalement.

La troisième année a été consacrée à la caractérisation plus fine de l’impact du cavalement et de l’embardée périodique sur la résorption du sillage éolien. Des mesures de champs de vitesses obtenues par Vélocimétrie stéréoscopique par Imagerie de Particules (Stéreo-PIV) ont permis d’observer l’évolution du sillage sur plusieurs diamètres en aval du modèle d’éolienne. Des traitements de données supplémentaires sont nécessaires pour caractériser les mécanismes physiques responsables de la modification du sillage des éoliennes flottantes.

La définition du cahier des charges et la sélection du système de déplacements à 3 degrés de liberté ont également été finalisées durant cette troisième année. 2 systèmes ont été achetés en 2020 grâce au financement du présent projet, complété par le projet WEAMEC 3D4FLOATEOLE.

Exemple de champs de vitesse moyenne mesurée grâce à de la stereo-PIV en aval d’un modèle d’éolienne flottante.

Exemple de champs de vitesse moyenne mesurée grâce à de la stereo-PIV en aval d’un modèle d’éolienne flottante.

Publications et communications produites

Communications orales
Publication

Perspectives

Le projet européen H2020-MSCA-ITN FLOAWER (FLOAting Wind Energy netwoRk) a démarré au 1er novembre 2019. Il est composé de 10 partenaires bénéficiaires et de 11 partenaires associés (cadémiques et industriels). Centrale Nantes et coordinateur du projet. FLOAWER formera 13 jeunes chercheurs (Early Stage Researchers) grâce à un programme multidisciplinaire avec comme objectif la conception d’éoliennes flottantes plus performantes et compétitives. Site web FLOAWER : www.floawer-h2020.eu

Le projet a également permis de collaborer avec le consortium allemand impliqué dans VAMOS (Univ Stuttgart, TU Hamburg, DNV-GL and UL, DEWI et Sowento). Ce projet a démarré en juillet 2019 pour une période de trois ans. Il permettra une expérimentation commune sur FLOATGEN, une collaboration sur l’exploitation des mesures et l’étude des modèles de sillages.