Nos solutions

Éolien offshore et énergies marines
Nos solutions

L’éolien offshore, posé et flottant, représente une source d’énergie en fort développement. D’autres énergies marines comme l’énergie de la houle sont quant à elles encore au stade de la démonstration. 
 

EOLIEN OFFSHORE

Les principaux domaines d’intervention d’IFPEN dans l’éolien portent sur quatre axes visant à réduire le coût de l’énergie d’origine éolienne et à offrir de nouveaux marchés :

• la conception de parcs éoliens avec FarmShadow™ et waLBerla-wind,
• le dimensionnement des éoliennes flottantes par le calcul couplé avec DeepLines Wind™ et la conception de flotteurs innovants,
• le contrôle des éoliennes et des parcs éoliens,
• la mise en place de jumeaux numériques pour améliorer la production et la maintenance.
   

FarmShadow™ : optimisation du positionnement des éoliennes au sein d’une ferme 

L’outil de calcul de la production des fermes éoliennes FarmShadow™ développé par IFPEN permet d’optimiser le positionnement des éoliennes à l’étape de la conception de la ferme et d’améliorer le rendement global en calculant les effets de sillage induits par les interactions entre éoliennes. En effet, le sillage qui se développe derrière une éolienne est à l’origine d’une diminution de la vitesse du vent, ce qui réduit l’énergie reçue par l’éolienne aval.

La perte d’énergie associée à cet effet est typiquement de 10 à 20 % au sein d’une ferme par rapport à des éoliennes isolées. Le sillage induit également une augmentation de l’intensité turbulente, ce qui a pour conséquence d’augmenter la fatigue des turbines et des fondations fixes ou flottantes situées en aval.

FarmShadow™ permet :
-    Dans le cas de fermes en phase de conception, de calculer les pertes de production grâce à des modèles de sillage propriétaires IFPEN, 
-    d'optimiser automatiquement le positionnement des différentes éoliennes les unes par rapport aux autres afin de maximiser l’énergie produite. 
-    Pour les fermes existantes, en liaison avec la solution WiSE™-Farm, de déterminer l’orientation optimale et le point de fonctionnement le plus adapté de chaque éolienne, afin de rediriger les sillages et de limiter leur portée. Ces actions permettent de réduire les interférences aérodynamiques entre les éoliennes, avec pour avantages une production optimisée et des sollicitations structurelles réduites.

L’outil FarmShadow™ est associé à des librairies d’optimisation et offre une gamme de services variés. Il est basé sur l’état de l’art des modèles de sillage et est amélioré en continu par les travaux de recherche d’IFPEN réalisés avec des partenaires comme Météo France ou dans le cadre du projet ANR Momenta.
 

IFPEN obtient le meilleur score dans un benchmark proposé par le programme IEA Wind

Dans le cadre du programme de collaboration sur les technologies éoliennes de l’Agence Internationale de l’Energie IEA Wind, plusieurs laboratoires de recherche ont concouru pour résoudre le problème du meilleur positionnement possible de près de 80 éoliennes au sein d’une ferme offshore, dans le but d’en maximiser la production. Le cas d’étude, constitué de cinq zones prédéfinies, schématisait un parc en cours de construction aux Pays-Bas. Les conditions de vent représentatives d’une année étaient fournies, ainsi que les effets de sillage des éoliennes entre elles. La solution proposée par IFPEN a obtenu la meilleure note, en permettant d’obtenir une production électrique annuelle supérieure à celle de ses concurrents.

waLBerla-Wind: simulations haute-fidélité et haute-performances de fermes éoliennes

IFPEN et l’université Friedrich-Alexander (Erlangen-Nuremberg, Allemagne) ont enrichi la plateforme waLBerla à la simulation de fermes éoliennes. En se basant sur des représentations des éoliennes par des lignes actuatrices, cette nouvelle application permet d’obtenir des temps de calcul jusqu’alors inaccessibles, grâce à la méthode Lattice-Boltzmann (LBM) et son excellente scalabilité, notamment sur processeurs graphiques (GPUs). L’utilisation d’opérateurs de collisions à l’état de l’art (e.g. Cumulant LBM) permet de garantir la stabilité des simulations, même à des Reynolds très élevés.

waLBerla-Wind a été développé dans le cadre du projet EoCoE-II.

En savoir plus sur waLBerla-Wind.
 

DeepLines Wind™ : conception d’une éolienne et dimensionnement des structures

IFPEN et son partenaire Principia ont développé le logiciel DeepLines Wind™ de simulation du comportement dynamique des éoliennes offshore flottantes.
 

DeepLines Wind™, commercialisé depuis 2015 par Principia, permet le calcul de l’effort des vagues et du courant sur un corps flottant et le calcul des déformations structurelles. Il offre en outre des capacités de calcul aérodynamique pour analyser les effets du vent sur les pales des éoliennes, ainsi que des fonctionnalités associées au contrôle commande.

Ces trois types de physiques ainsi réunies permettent d’effectuer des simulations mécaniques couplées de l’ensemble des composants de l’éolienne (pales, système d’ancrage, tour, flotteur) à l’aide d’un seul logiciel, atout indéniable vis-à-vis de la concurrence. 

La performance de DeepLines Wind™ a été démontrée dans les projets de l’IEA-Wind auxquels IFPEN a participé, comme les projets OC4/OC5/OC6 et DANAERO. Les modèles continuent à être améliorés en s’appuyant sur des librairies aérodynamiques de plus en plus performantes.

DeepLines Wind™ a notamment été utilisé pour concevoir avec le partenaire SBM Offshore le flotteur choisi par EDF Renouvelables pour son projet Provence Grand Large soutenu par l’Ademe. Il est également utilisé dans le cadre du projet européen H2020 Hiperwind piloté par l’Université Technique du Danemark (DTU) et destiné à améliorer la prise en compte des incertitudes sur le design des éoliennes en mer. 

Des modèles aérodynamiques avancés de lignes portantes (méthodes Vortex) sont aussi disponibles dans une version de recherche du logiciel DeepLines Wind™ et accessibles sous forme d’études proposées par IFPEN.

DeepLines Wind™ a été développé sur la base de la solution DeepLines™ dédiée à l’analyse dynamique des liaisons fond-surface et également commercialisée par Principia.

JIP FAME : pour un meilleur calcul de la production annuelle d’énergie des éoliennes flottantes

L’éolien flottant est un secteur en forte croissance dont le déploiement commercial est émergent. L’estimation de la Production d’Energie Annuelle (AEP) est un enjeu fort pour le financement des premiers projets commerciaux.

Cependant la prise en compte des particularités de l’éolien flottant pour cette estimation est encore une question de recherche. Le JIP FAME (Floating wind AEP calculation Methodologies) vise à améliorer les méthodologies d’estimation de l’AEP à deux niveaux : d’une part à l’échelle d’une éolienne flottante, en prenant en compte l’impact de son mouvement sur la production d’énergie, et d’autre part à l’échelle de la ferme, en étudiant l’impact du mouvement de chaque éolienne sur le sillage et donc sur les interactions entre éoliennes.

Ces travaux seront basés sur les outils de simulations développés à IFPEN, notamment DeepLines Wind™ pour la simulation couplée d’une éolienne flottante et MesoNH pour la simulation des effets de sillage, et complétés par des essais en soufflerie menés par Politecnico di Milano sur un modèle réduit d’éolienne simulant les conditions flottantes. Le projet est en cours d’élaboration.

Utilisation du supercalculateur Jean Zay pour réduire le coût des éoliennes flottantes

Dans le cadre des études de dimensionnement, sur le supercalculateur Jean Zay, obtenues lors de l’appel à projet « Grands Challenges » du GENCI, IFPEN a pu tester le comportement d’éoliennes offshores flottantes sous des conditions environnementales les plus diverses, concernant notamment les conditions de vent (vitesse moyenne, turbulence et direction) et de mer (hauteur, période et direction de la houle).
Pour en savoir plus : IFPEN utilise le calcul intensif pour réduire le coût des éoliennes flottantes.

Contrôle des éoliennes et des fermes en temps réels

La connaissance du vent incident en temps réel mesuré par lidar permet le contrôle d’éoliennes et de parcs et l’optimisation de la production. IFPEN développe différentes solutions de contrôle dans ce domaine :  

• WiSE™-WindField qui permet de reconstituer avec précision le champ de vent incident à partir des données brutes d’un lidar placé sur la nacelle d’une éolienne. Un accord de licence a été établi avec la société Vaisala pour intégrer ce produit à ses lidars nacelle,
• WiSE™-Control, qui implémente des stratégies de contrôle basées sur la mesure lidar et permet d’optimiser la production des éoliennes et de réduire les charges vues par celles-ci,
• WiSE™-Farm, un système de pilotage collectif de la ferme par minimisation des interférences aérodynamiques entre éoliennes et redirection de sillages, qui repose sur l’utilisation des modèles inclus dans le logiciel FarmShadow™.

Développement de jumeaux numériques pour améliorer la production et la maintenance des éoliennes

IFPEN développe des jumeaux numériques pour mieux diagnostiquer les anomalies potentielles des éoliennes, suivre leur usure, prédire la durée de vie de leurs composants, détecter des baisses de production électrique et en fin de compte optimiser la production et la maintenance.

En combinant de manière optimale les données remontant d’une éolienne en opération (SCADA- Supervisory Control and Data Acquisition, capteurs) et la modélisation physique, le jumeau numérique permet de connaître son état de fonctionnement (efforts exercés, comportement vibratoire, etc.) et d’être alerté en cas d’anomalie. 

JIP TWIN AVATAR : 
Digital twins of floating offshore wind assets

Contrôle des systèmes houlomoteurs

Les systèmes houlomoteurs en sont encore à un stade très amont de développement. IFPEN propose des solutions de contrôle avancé pour ces systèmes. IFPEN a notamment développé un contrôleur spectral pour calculer, sous contraintes, les trajectoires optimales que le système houlomoteur doit suivre pour un état de mer donné, afin de maximiser l’énergie électrique produite. Ce contrôleur est par exemple utilisé par la société australienne Carnegie Clean Energy pour son système houlomoteur CETO.

Depuis 2017, IFPEN participe également aux côtés de SMB Offshore et de l’École centrale de Nantes, au projet Ademe S3 visant à réduire de manière significative, grâce à des technologies novatrices, le coût actualisé de l’énergie produite par les systèmes houlomoteurs.

L’objectif de S3 était de réaliser et tester en conditions réelles un démonstrateur houlomoteur innovant, reposant sur une technologie conçue par SBM Offshore. Cette technologie utilise des polymères électro-actifs qui se déforment sous l’action de la houle et convertissent directement l’énergie des vagues en électricité.
 

IFPEN a développé des stratégies de prédiction à court terme de la déformation des parois induite par la houle, rendant possibles le contrôle actif de la machine et la démultiplication de la production électrique. IFPEN a validé dans ce projet une solution technologique de rupture pour améliorer la rentabilité de l’énergie des vagues et favoriser ainsi sa diffusion. 

Cette approche originale utilisée par IFPEN pour maximiser la production électrique des convertisseurs d’énergie des vagues lui a permis de remporter en 2019 le concours WECCCOMP.

Enfin, ces méthodes de prédiction à court terme de la houle sont utilisées par IFPEN pour optimiser certaines opérations en mer, afin d’indiquer l’existence d’une fenêtre météo permettant leur réalisation.