Fiche de révision : Conception et Validation des EMR Flottants

📋 Plan du Cours

1. Processus de conception EMR et acteurs
2. Spécification des conditions d’environnement
3. Design et réglementation pour l’éolien flottant
4. Normes et critères de conception
5. Règles de design et méthodologie structurelle
6. Outils de conception pour systèmes flottants
7. Validation expérimentale et moyens d’essais
8. Liaisons fond-surfaces et raccordement électrique
9. Ancrage et câbles de puissance dynamiques
10. Incertitudes, R&D et suivi en service

📖 1. Processus de conception EMR et acteurs

🔑 Notions clés & Définitions

• Validation des performances : Démarche de conception visant à vérifier que les performances prévues sont atteignables par rapport aux exigences du projet.
• Résistance aux conditions extrêmes : Approche de conception qui dimensionne les éléments pour supporter des sollicitations sévères rencontrées sur site.
• Période de retour : Paramètre statistique utilisé pour caractériser l’intensité d’un événement extrême et guider le dimensionnement.
• Tenue en fatigue : Critère de conception qui évalue la capacité des composants à résister aux chargements cycliques sur la durée de vie.
• Conception préliminaire FEED : Phase amont de conception qui fixe des choix structurants avant les études détaillées et la contractualisation.

📝 Points essentiels

• La conception EMR s’appuie sur une validation des méthodes numériques et des essais (banc et bassin à houle) par comparaison aux résultats en conditions réelles.
• Les interactions multiphysiques en environnement marin doivent être prises en compte dans les calculs pour refléter le comportement réel.
• Le processus intègre aussi des volets liés aux sciences sociales marines comme l’acceptabilité, les autorisations, l’environnement et la sécurité.
• Les acteurs couvrent développeurs, exploitants, fournisseurs, assureurs, ainsi que les études et certifications à différentes phases.
• Les conditions de site (ressources et environnement) pilotent les choix de conception et les normes applicables.
• La trajectoire typique va de la conception préliminaire (FEED) aux choix architecturaux et composants, puis aux études/certifications, au suivi fabrication-procurement, à l’installation et à l’O&M.

💡 Astuce mémo

Validation = Numérique + Essais + Réel ; puis Site → FEED → Options → Contrat EPCI → Certifs → Fabrication → Installation → O&M.

📖 2. Spécification des conditions d’environnement

🔑 Notions clés & Définitions

• Bathymétrie : Données de profondeur et de relief du site, utilisées pour dimensionner l’implantation et les ouvrages en mer.
• Géotechnique : Ensemble des informations sur le sol et le sous-sol, servant à définir la tenue des fondations et les chargements associés.
• Modèle hindcast : Modèle de reconstitution historique des conditions météo-marines, utilisé pour estimer des extrêmes de vent et d’autres variables.
• ADCP : Instrument acoustique de mesure des courants, qui fournit des profils de vitesse et de direction en profondeur.
• Biofouling : Encrassement biologique des surfaces immergées, pris en compte pour l’environnement chimique et biologique des EMR.

📝 Points essentiels

• Les cas de chargement à définir couvrent vent, houle, courant, marnage, glace et corrosion, plus l’environnement chimique et biologique dont le biofouling.
• Les conditions environnementales incluent aussi les autres activités (ex. pêche, loisirs) pour intégrer les interactions avec le site.
• La durée de vie doit intégrer l’évolution climatique, les réponses extrêmes, la tenue en fatigue et des conditions accidentelles (rupture d’ancrage, collision, envahissement).
• Les phases à considérer dans la conception couvrent installation, maintenance et démantèlement, pas seulement l’exploitation.
• Les études et certifications se répartissent sur plusieurs phases, avec des outils de calcul validés en électrique, thermique, mécanique, hydrodynamique et structure.
• Les mesures et modèles environnementaux s’appuient sur vent (hindcast + mesures terre/mer via mât et lidar), courant (modèles + ADCP), houle (modèles + houlographes directionnels) et chimie (température, salinité, pH, O2

💡 Astuce mémo

Vent-Houle-Courant: Hindcast (vent) + Houlographes (houle) + ADCP (courant).

📖 3. Design et réglementation pour l’éolien flottant

🔑 Notions clés & Définitions

• DNV-GL : Société de référence qui publie des règles de conception et de certification pour l’éolien posé et l’offshore flottant, ainsi que pour d’autres EMR.
• Bureau Veritas : Organisme de certification qui encadre la conception et la tenue des systèmes d’éolien et d’offshore flottant via ses règles et critères.
• ABS : Société de classification qui fournit des règles applicables à l’éolien offshore, notamment pour la conception et la certification.
• API : Organisme mentionné comme source de règles pour l’éolien offshore, dans le cadre des exigences réglementaires en évolution.
• Spécification environnementale : Document de base qui fixe les conditions de vent, houle et autres sollicitations utilisées pour dimensionner l’éolien flottant.

📝 Points essentiels

• Les règles de conception et de certification distinguent l’éolien posé et l’offshore flottant, avec des référentiels cités (DNV-GL, BV, ABS, API).
• Les règles en cours d’évolution s’appuient sur un RETEX faible pour l’éolien offshore flottant (EOF).
• Les critères de design couvrent la tenue d’ancrage, le déport horizontal minimum lié au câble électrique, et des exigences de mouvements/accélérations minimales pour la turbine.
• La conception impose une tenue structurelle pour les conditions extrêmes et pour la fatigue, selon les référentiels (BV, DNV-GL, …).
• Les règles incluent aussi les phases de remorquage et d’installation dans les exigences de conception.
• La méthodologie de dimensionnement combine une analyse statique (vent courant et moyen, dérive par houle) et une réponse dynamique due aux mouvements du flotteur.

💡 Astuce mémo

Règles = (tenue ancrage + câble + turbine) et Méthode = (statique vent/houle + dynamique mouvements flotteur).

📖 4. Normes et critères de conception

🔑 Notions clés & Définitions

• Outils de design : Ensemble des logiciels et méthodes utilisés pour dimensionner une éolienne flottante à partir des sollicitations vent–vagues–ancrage.
• Background éolien posé : Modélisation dédiée aux éoliennes installées sur fond fixe, utilisée pour représenter le chargement éolien et la réponse structurelle.
• Background flottant offshore : Modélisation dédiée aux systèmes offshore flottants, utilisée pour représenter l’interaction flotteur–turbine–environnement.
• Modélisation couplée : Approche qui relie simultanément les effets aérodynamiques, hydrodynamiques et de mouillage pour prédire la réponse globale.
• OC6 NREL : Référence de cas/outil de conception et validation citée pour l’éolien flottant, utilisée dans la démarche de modélisation.

📝 Points essentiels

• Les outils cités pour le design incluent Bladed et Fast pour le background éolien posé, et Orcaflex et DeepLines pour le background flottant offshore.
• La méthodologie à élaborer/valider doit couvrir l’influence du flotteur sur le design de la turbine et de la régulation, ainsi que l’influence inverse turbine→flotteur et ancrage.
• La modélisation physique combine des contributions vent (masse, inertie) et hydrodynamique (diffraction, frottement visqueux, traînée, raideur hydrostatique, propulsion, stabilisation, raideur de mouillage, radiation).
• Les effets couplés doivent être vérifiés via des grandeurs extrêmes comme $X_{max}$, $\theta_{max}$, le draft maximal et la charge maximale de mouillage.
• La modélisation de l’éolienne flottante impose de représenter séparément les ancres (raideur/frottement sol au TDP, masse ajoutée, loi de rappel, traînée) et le flotteur (géométrie, structure, ballast, stabilisation, avâ
• La réponse globale est évaluée avec des modèles offshore de type Deep Water, et des cas de référence sont cités comme CALM, Buoy, Floating Offshore Wind et FPSO.

💡 Astuce mémo

Posé = Bladed/Fast ; Flottant = Orcaflex/DeepLines ; Couplé = turbine↔flotteur↔ancrage ; Vérifs = $X_{max}$, $\theta_{max}$, draft max, charge mouillage.

📖 5. Règles de design et méthodologie structurelle

🔑 Notions clés & Définitions

• Modélisation Free Vortex Wake : Méthode de simulation des charges aérodynamiques basée sur une modélisation de sillage en vortex libre pour estimer la performance globale.
• Seakeeping : Analyse de la réponse d’un système flottant aux houles, pour relier les sollicitations hydrodynamiques aux mouvements et efforts.
• Méthodes Stop and Go : Approche de conception par étapes successives, alternant phases de calcul et de validation pour converger vers un design.
• Validation expérimentale : Démarche de vérification par essais (bassin, soufflerie, in-situ) afin de confronter les modèles aux comportements réels.
• Effets d’échelle : Phénomène où les résultats obtenus sur modèles réduits ne se transposent pas directement au prototype, nécessitant une attention particulière.

📝 Points essentiels

• Les charges hydrodynamiques sur structures élancées doivent être prises en compte dans la conception, car elles conditionnent mouvements et efforts.
• La performance globale d’une éolienne flottante peut être évaluée via un outil numérique basé sur la méthode Free Vortex Wake.
• La seakeeping d’une éolienne flottante à axe vertical (VAWT) vise à déterminer la réponse du système aux conditions de mer.
• La méthodologie Stop and Go organise la conception en cycles d’avancement, pour réduire les incertitudes avant d’aller plus loin.
• La validation expérimentale traite explicitement les effets d’échelle, les efforts houle/traînée et les efforts aérodynamiques.
• Les essais incluent bassin, soufflerie et tests in-situ, avec aussi l’étude des modes mécaniques du système (HF à LF) et du contrôle/commande-régulation.

💡 Astuce mémo

Stop&Go = cycles calcul→validation ; Free Vortex Wake = sillage ; Seakeeping = houle→mouvements ; Validation = bassin/ soufflerie/ in-situ ; Échelle = modèle ≠ prototype.

📖 6. Outils de conception pour systèmes flottants

🔑 Notions clés & Définitions

• Conditions CAPEX : Conditions de coût d’investissement utilisées pour cadrer le dimensionnement économique d’un projet de système flottant.
• Zone restreinte 1 km² : Périmètre d’essai limité à 1 km² utilisé pour tester et surveiller des composants flottants en conditions réelles.
• Floatgen : Projet de démonstration associé à des essais de premières éoliennes flottantes en France.
• Eolink : Projet d’essais associé à des premières éoliennes flottantes en France.
• Help-to-design of FOWT : Outil d’aide à la conception orienté FOWT, structurant les choix à partir des contraintes et des critères de sélection.

📝 Points essentiels

• Le CAPEX indiqué est de 20 M€ incluant le FEDER, avec l’owner et l’exploitation confiés à Centrale Nantes.
• Le site d’essai mentionne une zone restreinte de 1 km² et une latitude de 36 m (LAT) pour le contexte de déploiement.
• Les étapes de projet citées incluent 2009 (monitoring), 2012 (câble d’export), 2015 (subsea hub) et 2018 (Floatgen).
• Le retour d’expérience Ifremer–Centrale Nantes met en avant l’accès à plusieurs moyens d’essais pour un même projet via THeoREM.
• Le projet IHES (Geps-Techno) est présenté comme un accompagnement R&D avec modélisation numérique et accès à la mer, avec mise à l’eau en 2016 et grande échelle en 2018.
• Le projet SEM-REV est daté 2019–2020 et illustre des essais à grande échelle dans le réseau de moyens d’hydrodynamique marine.

💡 Astuce mémo

CAPEX-FEDER + étapes 2009/2012/2015/2018 : « 20M, 4 dates, 4 briques ».

📖 7. Validation expérimentale et moyens d’essais

🔑 Notions clés & Définitions

• Capacité structurelle des câbles : En conception, c’est l’aptitude des câbles à résister aux efforts mécaniques imposés sans défaillance.
• Cycles thermiques liés à la charge électrique : En dimensionnement, ce sont les variations de température dues aux courants qui entraînent des effets sur la tenue des câbles.
• Analyses en-service : En validation, ce sont les études réalisées pendant l’exploitation pour vérifier le comportement sous conditions réelles et évolutives.
• Chargements temporaires : En dimensionnement, ce sont les sollicitations non permanentes dues aux phases de stockage, transport et installation.
• Normes internationales : En validation, ce sont des référentiels reconnus qui fixent des exigences de conception, d’analyse et d’acceptation.

📝 Points essentiels

• La validation s’appuie sur un dimensionnement couvrant thermique, électrique et mécanique, avec choix de technologie et de matériaux (conducteurs, isolants, armures).
• Les analyses mécaniques incluent la traction, la flexion et la compression radiale pour vérifier la capacité structurelle des câbles.
• Les effets de fatigue sont traités via la durée de vie et la requalification, avec prise en compte des réponses extrêmes par des coefficients de sécurité.
• Les cycles thermiques liés à la charge électrique sont intégrés au dimensionnement pour anticiper l’impact des variations de température.
• Les analyses en-service peuvent inclure EDM 50Y, hydrodynamique et comportements flotteur+câbles, ainsi que des phénomènes comme VIV.
• Les chargements temporaires (stockage, transport, installation) doivent être considérés car ils imposent des sollicitations spécifiques avant la mise en service.

💡 Astuce mémo

Mécanique (traction/flexion/radial) + Thermique (cycles) + Exploitation (en-service) + Transitoires (stock/transport/pose) = validation complète.

📖 8. Liaisons fond-surfaces et raccordement électrique

🔑 Notions clés & Définitions

• Liaisons fond-surfaces : En génie offshore, liaisons reliant la structure au fond ou à des supports, qui conditionnent la transmission des efforts et le comportement global.
• Raccordement électrique : En câbles d’énergie, ensemble de jonctions et terminaisons assurant la continuité électrique et la tenue mécanique dans l’environnement marin.
• Modélisation hydro-mécanique d’ensemble : Approche de simulation couplant hydraulique et mécanique pour prédire la réponse globale sous courant, houle et effets environnementaux.
• Modélisation des composants en section : Modélisation locale de la section du câble pour analyser les contraintes et effets internes dans les éléments constitutifs.
• Méthodes numériques par éléments finis : Technique de calcul qui discrétise la géométrie en éléments pour résoudre les réponses mécaniques et les lois de comportement des matériaux.

📝 Points essentiels

• Les exigences de conception et d’acceptation portent sur les câbles, leurs composants et les terminaisons, avec des critères de tenue et de performance.
• Les analyses se structurent en effets globaux et effets locaux, avec des modèles et vérifications adaptés à chaque échelle.
• La réponse globale s’appuie sur un modèle de réponse vérifié, puis sur un traitement statistique des réponses pour tenir compte de la variabilité des chargements.
• La modélisation d’ensemble intègre courant, houle et vie marine, et peut inclure des effets thermiques et le marine growth.
• La modélisation locale se fait à partir de la section (cross section) pour représenter les composants et leurs sollicitations internes.
• Les méthodes numériques peuvent utiliser des outils FEM généraux (ex. Abaqus, Ansys) et des outils dédiés câbles (ex. Orcaflex, DeepLines, Flexcom) pour des approches statiques/quasi-statiques ou dynamiques.

💡 Astuce mémo

Global = modèle + statistique ; Local = section + composants.

📖 9. Ancrage et câbles de puissance dynamiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Flotteur et câbles : Ensemble flottant associé à des câbles, utilisé comme base de modélisation pour étudier les efforts et la tenue en mer.
• Outils Orcaflex DeepLines Flexcom : Logiciels de simulation dédiés à la dynamique des systèmes flottants et aux câbles pour la conception et l’analyse.
• Méthodes quasi-statiques : Approches de calcul qui simplifient la dynamique en supposant des variations lentes pour estimer les réponses mécaniques.
• Méthodes dynamiques : Approches de calcul qui modélisent explicitement l’évolution temporelle pour représenter le comportement sous houle et sollicitations.
• Mesures in-situ : Campagnes de mesure sur site visant à relever des grandeurs mécaniques afin de valider ou calibrer les modèles.

📝 Points essentiels

• Les outils de conception combinent flotteur et câbles pour représenter le système complet lors des études de tenue.
• Les logiciels cités pour la simulation incluent Orcaflex, DeepLines et Flexcom.
• La conception s’appuie sur des méthodes quasi-statiques et sur des méthodes dynamiques, selon le niveau de fidélité recherché.
• La modélisation sert à dimensionner et à anticiper les réponses mécaniques avant essais et validation.
• Des essais hydro-mécaniques en bassin de houle peuvent être menés (exemple Ifremer, ECN) pour étudier le comportement.
• Des bancs d’essais mécaniques existent (exemple IFSTTAR, IFPEN, Technip) pour caractériser des composants et valider des hypothèses de calcul.

💡 Astuce mémo

Quasi-statique = lent, dynamique = temps réel ; Orcaflex/DeepLines/Flexcom = outils pour relier flotteur + câbles.

📖 10. Incertitudes, R&D et suivi en service

🔑 Notions clés & Définitions

• Thermo-mécanique fatigue : Phénomène d’endommagement combinant effets thermiques et sollicitations mécaniques au cours du temps.
• Monitoring de durée de vie : Dispositif de suivi visant à estimer l’évolution de l’état d’un système et à anticiper sa fin de vie.
• Mooring health monitoring : Surveillance en service des systèmes d’amarrage combinant mesures in situ et modélisation pour prévoir la fatigue réelle.
• Modélisation fermes EMR : Ensemble d’outils de simulation et d’optimisation pour concevoir et comparer des fermes d’hydroliennes et d’éoliennes flottantes.

📝 Points essentiels

• Les incertitudes concernent la conception et les résultats d’essais, malgré l’existence d’outils de modélisation et de moyens expérimentaux.
• La qualité des données environnementales du site sélectionné conditionne la fiabilité des prédictions et donc la réduction des risques.
• Identifier les cas de chargement dimensionnant est difficile, ce qui augmente l’incertitude sur le dimensionnement.
• Les phases de vie à intégrer couvrent construction, installation, exploitation et démantèlement pour éviter des oublis de sollicitations.
• Le suivi en service doit combiner mesures et modélisation pour anticiper une durée de vie de fatigue réaliste et planifier la maintenance.
• Le monitoring doit fournir des informations et des alertes pour alimenter des plans de prévention liés à la sécurité maritime.

💡 Astuce mémo

Mesure + modèle = fatigue réelle; Données site + cas dimensionnants + phases de vie = moins d’incertitudes.

📅 Repères chronologiques

📊 Tableaux de synthèse

Référentiels de règles (éolien posé vs flottant)

Méthodes de conception : statique vs dynamique

⚠️ Pièges & confusions fréquents

1. Confondre validation des performances (modèles + essais + conditions réelles) avec simple calcul numérique sans confrontation in-situ.
2. Oublier que les cas de chargement incluent aussi glace, corrosion, et les conditions accidentelles (rupture d’ancrage, collision, envahissement).
3. Croire que la conception ne concerne que l’exploitation : le cours impose d’intégrer installation, maintenance et démantèlement.
4. Mélanger background posé et background flottant : Bladed/Fast pour posé, Orcaflex/DeepLines pour flottant, puis couplage turbine↔flotteur↔ancrage.
5. Sous-estimer l’importance des données environnementales du site : elles conditionnent la fiabilité des prédictions et la réduction des risques.
6. Confondre quasi-statique et dynamique : quasi-statique = variations lentes, dynamique = évolution temporelle explicite sous houle.
7. Penser que la durée de vie fatigue se traite sans essais : le cours insiste sur effets d’échelle, essais à la mer et monitoring en service.

✅ Checklist Examen

1. Expliquer la stratégie de conception EMR : validation des méthodes numériques et des essais vs résultats en conditions réelles, et prise en compte des interactions multiphysiques.
2. Lister les acteurs et leur rôle dans la trajectoire : développeurs, exploitants, fournisseurs, assureurs, études/certifications, et interfaces via le contrat EPCI.
3. Décrire la séquence de conception : FEED, choix architecturaux et composants, études/certifications par phases, fabrication/procurement, installation, puis O&M.
4. Présenter les paramètres environnementaux à spécifier : bathymétrie/géotechnique, vent (hindcast + mesures), courant (modèles + ADCP), houle (modèles + houlographes), et paramètres chimiques/biologiques (dont biofouling)
5. Définir les cas de chargement à couvrir et les phases de vie à intégrer : vent, houle, courant, marnage, glace, corrosion, activités humaines, et phases installation/maintenance/démantèlement.
6. Citer les référentiels de normes/règles et leur logique : ISO/IEC/RP et exemples DNV-GL, LR, BV, API, ABS, ainsi que l’idée de RETEX faible sur l’EOF.
7. Donner les critères de design attendus : tenue d’ancrage, déport horizontal minimum lié au câble électrique, mouvements/accélérations minimum turbine, tenue structurelle extrême et fatigue, et exigences remorquage/instal
8. Décrire la méthodologie de dimensionnement : analyse statique (courant, vent moyen, dérive par houle) et réponse dynamique induite par les mouvements du flotteur.
9. Associer correctement les outils : Bladed/Fast (background posé), Orcaflex/DeepLines (background flottant), et l’objectif de modélisation couplée turbine↔flotteur↔ancrage.
10. Expliquer la modélisation physique couplée et les effets à inclure : diffraction, frottement visqueux, traînée, raideur hydrostatique, radiation, et vérifications via grandeurs extrêmes (Xmax, θmax, draft max, charge mou
11. Décrire la démarche de validation expérimentale : enjeux effets d’échelle, essais bassin/soufflerie/in-situ, et modes mécaniques HF à LF + contrôle/commande-régulation.
12. Exposer les objectifs de dimensionnement des câbles : choix technologie/matériaux, dimensionnement thermique/électrique/mécanique, capacité structurelle (traction/flexion/compression radiale), cycles thermiques, analyses
13. Citer les normes de conception pour câbles/umbilicals et leurs dates mentionnées (ISO 13628-5:2009, API RP 17N:2009, DNV-RP-F401 February 2012) et l’idée de critères d’acceptation.
14. Conclure sur les incertitudes et la R&D : difficulté d’identifier les cas dimensionnants, prédiction de durée de vie non maîtrisée, nécessité d’essais à la mer et de monitoring en service, et intégration de toutes les ph