Les éoliennes tournent en mer et tous les regards se tournent vers cette filière. Dans le contexte de la transition énergétique, l'éolien offshore a en effet de nombreux atouts à offrir. Si son fonctionnement est identique à l'éolien terrestre – à savoir capter l'énergie du vent pour la transformer en électricité - il bénéficie des vents du large plus réguliers et plus intenses. Résultats : l'éolien flottant permet encore d'accroitre ce rendement, tandis que sa situation en mer, limite les nuisances sonores et visuelles, plus redoutées sur la terre ferme.

De fait, le marché de l'éolien en mer connaît une croissance exponentielle, partout dans le monde, Europe en tête. Et pour cause : pour atteindre la neutralité carbone espérée en 2050, l'Union européenne s'est engagée à soutenir le développement de la filière. Objectif : porter la capacité européenne de production éolienne en mer de 12 GW actuellement à au moins 60 GW d'ici à 2030 et à 300 GW d'ici à 2050. Soit 25 % de sa production d'électricité. La France, dans le cadre de sa Programmation Pluri annuelle de l'Energie (PPE), vise quant à elle une capacité installée d'éolien en mer de 2,4 GW en 2023 et environ 5 GW en 2028. Cette capacité prévoit une part d'éolien flottant, qui sera appelé à augmenter à partir de 2028.

L'éolien flottant va permettre d'accéder à des zones où l'éolien offshore posé ne peut pas aller. L'éolien « posé » consiste à installer les fondations d'une éolienne dans le fond marin, à une profondeur comprise entre 50 et 60 mètres. Raison pour laquelle il a majoritairement proliféré dans des domaines marins peu profonds, comme ceux de la Mer du Nord… L'éolien flottant s'affranchit de cette contrainte de profondeur. Son principe ? L'éolienne (turbine, mât et pales) est montée sur une fondation flottante ; l'ensemble est construit et assemblé au port, puis remorqué jusqu'à son lieu de production avant d'être relié au fond marin par des lignes d'ancrage.

En complément des solutions classiques, l'éolien en mer flottant permet l'installation de projets sur des zones de grandes profondeurs, plus loin des côtes ou plus ventées. La plupart des projets flottants réalisés ou en cours le sont dans moins de 200m d'eau, mais des sites beaucoup plus profonds sont à l'étude. Ce faisant, il démultiplie les gisements de l'éolien offshore. Pour capter massivement ces conditions avantageuses, des verrous doivent encore être levés. Le champ des possibles est vaste… La limite repose sur notre capacité à rapatrier l'énergie et à installer et exploiter des infrastructures de la taille de la Tour Eiffel, à plusieurs dizaines de kilomètres du littoral.

Objectif : franchir le cap d'une industrialisation à grande échelle. La R&D y travaille depuis plusieurs années, en appui aux différents projets portés par EDF Renouvelables en France. Parmi eux : Provence Grand Large (PGL), un parc industriel pilote, unique au monde. Doté de 3 éoliennes flottantes de 8 MW en Méditerranée, sa mise en service est attendue pour 2022. Notre programme consiste prioritairement à « dé-risquer » cette technologie. Faire flotter une éolienne reste un défi, car les facteurs de déstabilisation sont nombreux : mouvement des pales et de la mer, hauteur et poids de la turbine. Il s'agit de choisir le bon flotteur et nous étudions plusieurs technologies via un outil de modélisation de l'éolienne en fonctionnement qui nous permet tester les différentes alternatives dans les conditions les moins favorables. L'environnement constitue également l'un des sujets phare de la R&D en la matière : impact sur les fonds marins et sur l'avifaune, conséquences de l'encrassement biologique ou « biofouling » (formation d‘une couche gênante d'organisme vivant sur la surface du flotteur) sur le poids et donc l'équilibre des flotteurs. À plus long terme, la R&D anticipe aussi les problématiques liées à leur maintenance et à leur vieillissement.

En France, sept projets d'éolien offshore prévus par la PPE sont en cours de développement, et les appels d'offres sur le flottant se multiplient. Face à la baisse drastique des coups sur le terrestre, le solaire et l'éolien posé, l'éolien flottant à un enjeu de survie pour rester dans la course… Et dans ce contexte, EDF a pour ambition de gagner des parts des marché significatives. Mais au-delà des enjeux commerciaux, il s'agit d'aider la filière à gagner en maturité en mutualisant les expertises, pour que les énergéticiens et toute la chaine de valeur de fournisseurs et de prestataires aient la capacité d'apprendre sur l'éolien flottant. EDF s'est ainsi associé à France Énergie Marine, un institut de recherche dédié aux énergies marines renouvelables. Crée en 2012, cet ITE a pour vocation de fédérer la recherche française académique et industrielle autour du développement de l'éolien offshore.

L'éolien offshore flottant est une technologie récente qui entraîne dans son sillage tout un cortège d'acteurs : développeur de flotteurs, turbiniers... Les premiers prototypes ont été développés en 2009 en Norvège, puis au Portugal, au Japon et en France. EDF Renouvelable s'est rapidement positionné sur ce marché, avec notamment un projet d'installation de 3 éoliennes flottantes au large de Marseille qui devrait voir le jour en 2022. En attendant cette étape de démonstration, la simulation numérique s'avère plus rapide et moins coûteuse que les tests sur des prototypes ou les essais en bassin. Notre rôle à la R&D est de guider les entités opérationnelles dans le choix des meilleures technologies, en termes de performances comme de coût.   
 

Quelles sont les spécificités de cette technologie en termes de simulation numérique ?

L'éolien offshore flottant est à la croisée de deux industries : celle de l'électricité (en utilisant l'énergie du vent), où l'on étudie une machine qui tourne sur un mat d'éolienne, et celle du pétrole offshore qui modélise des systèmes qui bougent dans les vagues. D'un point de vue numérique, il faut donc combiner les deux types de modèles pour s'assurer que le système va résister aux contraintes qui vont s'appliquer sur lui. Pour cela, nous avons développé au sein de la R&D une chaine de calcul baptisée DIEGO, qui nous permet de vérifier un certain nombre de points, comme la stabilité du système (en fonction du design du flotteur, du poids de la turbine, on s'assure que l'ensemble ne va pas se renverser), son comportement dynamique aux vagues, son design structurel et sa résistance en conditions extrêmes (tempêtes), mais aussi sa résistance dans le temps à des micro-sollicitations répétées (calcul de fatigue). Nous pouvons ainsi comparer les différentes technologies de flotteurs proposées sur le marché.

Nous avons commencé à travailler sur l'éolien flottant en 2011 à la R&D. A cette époque, il était question d'installer des éoliennes à axe vertical, contrairement aux éoliennes terrestres traditionnelles, dont l'axe est horizontal. Sur le papier, l'axe vertical présentait en effet plusieurs avantages pour l'éolien flottant car il permettait d'utiliser des flotteurs plus petits et supportait mieux l'inclinaison. Lorsque EDF Renouvelables nous a mobilisé sur ce projet, il n'y avait aucun outil pour modéliser ce type d'éolienne sur un flotteur. Nous avons donc construit un cœur de calcul qui s'est petit à petit transformé en simulateur complet d'éolienne flottante. Six ans plus tard, cette technologie a été abandonnée au profit des éoliennes à axe horizontal pour des raisons de coût et de maturité industrielle. Il a fallu retravailler sur le code… mais nous disposons désormais d'un outil qui nous permet de traiter n'importe quel type d'éolienne. Nous nous attachons maintenant à le rendre plus facile à utiliser pour les unités d'ingénierie. Cela passe par une interface plus accessible et plus pratique. Un développement qui nécessite une démarche itérative avec les utilisateurs.

Quelles seront les prochaines étapes ?

Outre l'amélioration de la prise en main de cet outil, il s'agit de mieux cerner ses limites… pour l'optimiser. Aujourd'hui, du fait du nombre très important de critères à prendre en compte (la direction du vent, sa vitesse, les bourrasques ; idem pour les vagues : leur direction, leur hauteur, les courants marins, la marée…) nous travaillons sur des modèles simplifiés pour que la chaîne de calcul puisse tourner assez vite. Il faut donc maintenant la comparer avec des outils plus précis pour évaluer son degré d'incertitude, et lorsque que celui-ci est trop important sur certains points, proposer des améliorations tout en restant simple et rapide. C'est un processus d'amélioration continue, qui peut nous amener parfois à remanier considérablement ce qui a été fait jusque-là. A moyen terme, la chaîne de calcul Diego servira aussi au développement d'un jumeau numérique, sorte de réplique numérique d'une éolienne flottante physique, qui pourra être utilisée pour optimiser la maintenance de l'ensemble, ou encore pour trouver des marges de dimensionnement afin de réduire les coûts. A plus long terme, nous envisageons également de faire appel à l'intelligence artificielle pour analyser les données issues des prototypes qui seront installés au large de Marseille dans le cadre du projet Provence Grand Large. Notre approche via la chaîne Diego consiste à étudier le système à partir de nos connaissances. L'intelligence artificielle peut être mobilisée quant à elle pour apprendre de l'expérience dans une approche plus heuristique, en ordonnant toutes les données issues de l'observation sur le terrain (par exemple, j'ai un problème qui apparaît toutes les six heures, j'en déduis qu'il est peut-être lié à la marée). Deux approches très complémentaires, qui témoignent de l'apport des outils numériques pour répondre aux enjeux de la transition énergétique !

* LNHE : laboratoire national hydraulique et environnement