Post on 12-Sep-2018
Eolienne Flottante LEGI (EFL)
Jean-Luc ACHARD, Guillaume BALARAC, Stéphane BARRE, Guillaume MAURICE
LEGI - GRENOBLE
CNRS
SATT – LINKSIUM - GRENOBLE
Démontrer une technologie permettant d’atteindre un
coût de l’énergie éolienne off-shore flottante
compatible avec son déploiement en masse
Pour ce faire, développer une éolienne flottante VAWT
évitant les inconvénients classiques des HAWT. Une
attention particulière est accordée aux points suivants:
Rendement
Efforts transmis à la structure flottante
Objectifs Généraux
Spinfloat
Deepwind
Vertiwind
Etat des lieux pour les applications éoliennes en off-shore flottant:Quelques projets en cours
Verrous technologiques (parmi tant d’autres…)Pour l’éolien flottant
Turbines axiales classiques• Basculement important • Mauvaise fiabilité en environnement marin• Difficulté à augmenter la taille (moment
gravitaire) pour obtenir un facteur d’échelle fort sur le coût de revient du MWh
• Coût de fabrication élevé• Mise en œuvre et construction délicate et
nécessitant des moyens spécifiques et lourds
Turbines à flux transverse• Faible rendement• Efforts aérodynamiques instationnaires• Construction monobloc pouvant s’avérer aussi
délicate que les HAWT• Architecture complexe• Géométrie pouvant être fragile• Moment gyroscopique induisant du roulis sur
excitation de tangage • Problèmes d’aéroélasticité plus prononcés
Approche EFL (Eolienne Flottante LEGI)
Une éolienne à axe vertical simple et robuste
Un flotteur de taille réduite et optimisée
Conceptionmodulaire
Architecture simplifiée
Rendementoptimisé
• Empilage de modules de taille raisonnable grâce à la géométrie homogène des pales
• Assemblage final au port
• Sans système de calage variable des pales ni multiplicateur
• Maintenance à la surface de l’eau
• Rendement visé de 30%. Supérieur à ceux des éoliennes en H (Vertiwind par Ex..)
• Birotor contrarotatif; Auto-stabilité gyroscopique
• Centre de gravité abaissé• Centre de poussée abaisséStabilité optimisée
Taille optimisée • Flotteur moins volumineux• Possibilité de stabilisation
aérodynamique
Un produit standardProfondeur: > 50 mHauteur: 90 mPuissance: 1 MW
Plusieurs solutions techniques
+ Réduction du torseur des efforts
transmis au flotteur.
+ Réduction du coût du flotteur
- Cout plus élevé pour l’aérogénérateur
+ Coûts et masse réduits pour
l’aérogénérateur
- Peu de possibilité de faire de la
stabilisation aérodynamique.
- Coût augmenté pour le flotteur
Option avec ailes stabilisatricesOption squelette
Logique de développement
Turbine EFL Aérogénérateur EFL Eolienne EFL :Aérogénérateur + Structure Flottante
Deux brevets portant l’un sur l’aérogénérateur l’autre sur la structure flottante ont déjà étédéposés et validés.
Le cœur de l’innovation porte sur une turbine innovante constituant le module del’aérogénérateur protégée par un 3ème brevet (Jean-Luc ACHARD) en cours de dépôt
?Rendement
Torseur aérodynamique transmis au flotteur
Première étape en cours
Concept « classique » d’une turbine en H Turbine EFL
• Objet du projet : Validationdes performances
• Comparaison du nouveau concept de turbine à flux transverse en environnement signifiant (soufflerie de grande tailleENSMA - POITIERS)
• Validation expérimentale• Calculs numériques -
modèle URANS-2D
PREUVE DE CONCEPT PAR COMPARAISON AVEC LA TECHNOLOGIE DE TURBINE EN H
Bénéfices
Verroustechnologiques
Pourquoi pas ?
Turbines axiales classiques• Basculement important • Mauvaise fiabilité en
environnement marin
Turbines à flux transverse• Faible rendement• Construction monobloc• Architecture complexe• Géométrie fragile• Lifecycle Cost important
EFL
Technologie qui permettra un progrès
sur 2 verrous
Augmentation rendement (objectif 30%)
Réduction des coûts du cycle de vie (construction, mise en mer et maintenance)
Pourquoi EFL ?
PIERMANN« Technologie et fabrication en matériaux composites »
IFPEN« Intérêt expri-mé – attente performances »
CAPENERGIE« Discussion préliminaire suite au soutien d’éolien flottant sur d’autres proiets »
EFL; une suite logique de HARVESTHARVEST (depuis 2001)
13 Thèses sur 10 ans (G-INP, UJF, CNRS, UCB Lyon, EDF) 15 Configurations de turbomachines de type modulaire testées expérimentalement et
numériquement 10 Brevets 1 Start-up: HYDROQUEST (crée en 2011)
RETOUR D’EXPERIENCE DE HARVEST En gardant une structure modulaire, DESIGN d’une TURBINE INNOVANTE constituant le module aérogénérateur EFL
• Réduction des trainées parasites pour permettre une
augmentation de la vitesse de rotation et une utilisation de la
machine dans la zone optimale aérodynamique.
• Conception modulaire ab initio• Souplesse dans le process de fabrication et de montage final
• Souplesse dans le choix de la méthode d’accouplement
[Mécanique, électrique ou hydraulique]
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Poids
Poussée d’Archimède
L’idée de départ : des éoliennes flottantes a flux axial
Mais la quille d’un bateau est rarement en haut du mât…
Concept IDEOL (éolienne GAMESA)
-Damping Pool-Solution de Mobilité
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"SPAR"
Flotteur avec
des ballasts
Tensioned
Legs Platforms
(TLP)
Plusieurs solutions ont été étudiées
Une éolienne flottante a même été réalisée et est en test depuis septembre 2009:
Toujours pas de déploiement à grande échelle
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Nécessité d’un changement de paradigme pour arriver à une baisse des coûts permettant la réussite de cette
technologie:
La turbine à flux transverse modulable (EFL)
Les turbomachines à flux transverse pour les applications flottantes:d’indéniables avantages par rapport aux machines à flux axial
(la revanche des machines à flux transverse…)
Maintenance beaucoup plus aisée car effectuée au niveau de la surface de la mer et non
dans une nacelle a l’extrémité d’un mât.
Organes de contrôle situés au niveau de la surface de la mer :
naturellement thermostatés et
soumis a des vibrations moindres résultant des oscillations du mat
Régulations aérodynamiques plus simples pour la limiter à sa puissance nominale
Stabilité de flottaison facilitée grâce au fort abaissement du centre de gravité lié à
l’abaissement de la pesante génératrice (dont le poids croit encore si elle est a
entrainement direct, ce qui est souhaitable)
Usure uniforme des pales par rapport a celle des turbines à flux axial à la surface
desquelles une intense usure à l’extrémité des pales vient d’ être identifiée (Siemens)
suite à l’impact du mélange eau, sel et sable dans des vents jusqu’à 280 km/h.
Défauts:
Faible rendement par rapport aux machines à flux axial
Vibrations sur l’arbre résultant des oscillations du couple au
cours d’une révolution de la turbine
Auto démarrage difficile
Manque de retour d’expérience par rapport aux machine à flux axial
qui sont largement diffusées et connues
Corrections:
Sera amélioré grâce à la présente innovation :augmentation du paramètre d’avance
Corrigé par la présente technologie :Empilage déphasé des modules qui permets de lisser le couple et d’abaisser la fatigue cyclique sur toutes les pièces de la machine
Corrigé par le remède précédent pour les vibrations
Les turbomachines à flux transverse pour les applications flottantes:
Avec malgré tout quelques défauts dont la nouvelle technologie EFL réduira ou annulera l’incidence
Technologie envisagée pour EFL
Le cœur de l’innovation porte sur une turbine innovante constituant le module del’aérogénéarteur protégée par un 3ème brevet (Jean-Luc ACHARD) en cours de dépôt
Deux brevets portant l’un sur l’aérogénérateur l’autre sur la structure flottante ont déjàété déposés et validés.
Turbine EFL : Aérogénérateur EFL Eolienne EFL :
Aérogénérateur + Structure
Flottante
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Poids
Poussée d’Archimède
50t * 100m
500t * 10mBallast=500t
10 m
100 m
30 t * 50 m
50m
10m
150t * 10m(dont 20t utiles)
Ballast= 130t
La vision de départUne éolienne à axe vertical simple et robuste : Une architecture modulaire:
* Empilage de modules de taille raisonnable et donc aisément manipulable et plus
simples à fabriquer (moins cher que les systèmes d’un bloc).* Assemblage final possible au port et non en pleine mer. Ne nécessite qu’un
remorquage vers la zone d’installation.
Une architecture de l’éolienne optimisée:* sans système d’orientation de la nacelle,* sans système de calage variable des pales,* sans boîte de vitesse (multiplicateur).
Des taux de disponibilité supérieurs à ceux des éoliennes conventionnelles grâce à un générateur à aimants permanents à attaque directe (solution éprouvée dans l’hydroélectrique) et un nombre réduit de systèmes (50% en nombre de composants).
Des rendements aérodynamiques supérieurs (rendement de 30% espéré) à ceux des éoliennes conventionnelles à axe vertical (type VERTIWIND-NENUPHAR).
Un flotteur de taille réduite et optimisée :
Les éoliennes à axe vertical présentent des moments déstabilisateurs notablement inférieurs à ceux des éoliennes à axe horizontal.
Le flotteur peut donc être moins volumineux et nécessite l’emploi de moins de ballast.
Un produit standardProfondeur: > 50 mHauteur: 90 mPuissance: 1 MW
Les turbomachines à flux transverse pour les applications flottantes:
Avantages : Maintenance effectuée au niveau de la surface de la mer et non pas dans une nacelle a
l’extrémité d’un mât beaucoup plus aisée Organes de contrôle situés au niveau de la surface de la mer :
naturellement thermostatés et
soumis a des vibrations moindres résultant des oscillations du mat
Régulations aérodynamiques a envisager plus simples pour la limiter à sa puissance nominale
Stabilité de flottaison facilitée grâce au fort abaissement du centre de gravité lié àl’abaissement de la pesante génératrice .
Défauts: Faible rendement par rapport aux machines axiales (Sera probablement corrigé grâce à
la présente innovation) Vibrations sur l’arbre résultant des oscillations du couple au cours d’une révolution de la
turbine (corrigé par la présente technologie grâce à l’empilage déphasé des modules qui permets de lisser le couple et d’abaisser la fatigue cyclique sur toutes les pièces de la machine)
Manque de retour d’expérience par rapport aux machines axiales qui sont largement diffusées et connues
Projet EFL (Eolienne flottante LEGI)
Porteur: Stéphane BARRE (CR-CNRS – LEGI Grenoble),
Equipe: Jean-Luc ACHARD (DR-CNRS – LEGI Grenoble)Guillaume BALARAC (Mdc-G-INP – ENSE3 - LEGI),Guillaume MAURICE (Dr. Univ. Grenoble)
Laboratoire: LEGI Grenoble
Etablissements: G-INP, UGA, CNRS
Appel d’offre 2015 « Eolien Flottant »
Manuel Valls a annoncé le lancement en juin 2015 d'un appel à manifestationd'intérêt de 150 millions d'euros pour les premiers projets de petits parcs éoliensflottants au large des côtes françaises. Les éoliennes flottantes ont pour principalavantage de pouvoir être installées dans des mers trop profondes pour des éoliennesen mer classiques, posées au fond de l'eau.
EolMed: nouveau projet d’éolien flottant en Méditerranée
Après EDF Energies Nouvelles et son parc de Fos-sur-Mer, d’autres entreprises françaises se lancent dans l’éolien flottant. Ce secteur est appelé à se développer, avec un nouvel appel d’offres du gouvernement en 2015. Le potentiel est important puisque l’éolien offshore avec fondation est limité aux zones peu profondes (moins de 50 mètres). Le projet EolMed, porté par Quadran et Ideol, pourrait aboutir à l’installation de 500 MW d’éoliennes flottantes à support en béton au large des côtes du Languedoc-Roussillon.
Quadran et Ideol se préparent à l’appel d’offres du gouvernementA l’occasion des assises de l’économie de la mer, qui se sont déroulées les 2 et 3 décembre 2014 à Nantes, le Premier ministre Manuel Valls a annoncé le lancement d’un nouvel appel à manifestations d’intérêt pour l’éolien flottant. Il démarrera en juin 2015 et aura pour but le développement de projets pilotes.
EolMed, dans la continuité du démonstrateur FLOATGEN
Quadran, né en 2013 de la fusion de JMB Energie et de Aérowatt, possède un parc de 325MW exclusivement composé d’énergies renouvelables, dont 250 MW d’éolien. Dernièrement, l’entreprise investit massivement, dans l’espoir d’accroître ses capacités à 1.000 MW à l’horizon 2020. En nouant un partenariat avec Ideol, spécialisée dans la conception et l’installation de fondations pour les éoliennes en mer, Quadran se lance dans un nouveau marché qu’il espère porteur.
Ideol a reçu le prix du Business Vert EY 2013 sur la région Méditerranée. La société, basée à La Ciotat dans les Bouches-du-Rhône, est actuellement en train de travailler avec Gamesa et Bouygues Travaux Publics sur le démonstrateur FLOATGEN. FLOATGEN est un projet test qui devrait démarrer en 2015. La première éolienne flottante d’une puissance de 2 MW, munie d’une surface flottante circulaire innovante, va être testée pendant quatre ans au large du Croisic (44). EolMed bénéficiera donc du retour d’expérience de FLOATGEN. IDEOL a obtenu plus de 10 ME de financements en Décembre 2014.
Le projet Vertimed vise à installer un projet pilote de 13 éoliennes flottantes à axevertical de 2,3 MW et 107 m de hauteur en mer Méditerranée. Porté par la PMENénuphar, en association avec EDF Énergies nouvelles, Areva et Technip, un prototypeest actuellement testé sur terre, à Fos-sur-Mer.
Une éolienne Vertiwind est en construction et sert à démontrer son efficacité sur terre.Cette étape sera suivie d’une démonstration d’un prototype en mer, puis d’un projetpilote de 30 MW à l’horizon 2016-2017.D’ici 2030, le consortium d’acteurs espère développer en Méditerranée des fermesindustrielles accueillant une centaine de machines.
Technologie
07/03/2016SATT Gift - Grenoble Innovation
Fast Track46
Retour d’expérience HARVEST
• 13 thèses sur 13 ans (INP, UJF, CNRS, UCB Lyon, EDF)
• 15 configurations de turbo machines modulaires testées
• 10 brevets
• 1 start-up HYDROQUEST
Design turbine innovante –
concept modulaire
Développement nouvelle PI adaptée à l’éolien offshore
Réduction des trainées parasites
• Augmentation de la vitesse de rotation (Sandia obtenait un Cp de 0,42)
Conception modulaire ab initio
• Souplesse en fabrication et montage
• Souplesse choix d’accouplement (mécanique, électrique ou hydraulique)
• Suppression du problème d’autodémarrage et autorégulation cyclique du couple