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]

17

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

19

"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

20

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

26

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

Quelques sources documentaires autour de

ce projet EFL

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.

Vision SANDIA (2012)

Projet: EOLMED

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.

Projet: VERTIMED

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