Éolien marin : comment ça tient ?

Christelle Abadie, chercheuse au département Géotechnique, environnement, risques naturels et sciences de la Terre (GERS) et Lamine Dieng, chercheur au sein du département Matériaux et Structures (MAST), Université Gustave Eiffel

Dans un contexte d’urgence climatique et d’essor des énergies décarbonées, comment développer les énergies marines, sans trop impacter l’écosystème marin, et en minimisant les coûts ?  Quels sont les leviers d’action de la recherche pour accélérer le déploiement et sécuriser les infrastructures ? Éléments de réponse avec Christelle Abadie, chercheuse au Département Géotechnique, environnement, risques naturels et sciences de la Terre (GERS) et Lamine Dieng, chercheur au sein du département Matériaux et Structures (MAST) de l’Université Gustave Eiffel.
 

Atteindre 45 gigawatts d'éolien en mer en 2050 (soit 20% de la production électrique) : voici l’objectif fixé par le gouvernement dans le cadre de la Programmation pluriannuelle de l’énergie 3 dont la publication se fait encore attendre.
En France, 213 éoliennes offshore parsèment les côtes de la façade atlantique entre Saint-Nazaire, Saint-Brieuc et Fécamp. L’éolien offshore représente aujourd’hui seulement 1.2% de la consommation annuelle de l’hexagone. En comparaison, cette énergie s’élève à 17% de la production d’électricité totale en Grande Bretagne qui apparait comme la figure de proue de cette progression des EMR en Europe.
Si la France s’est engagée à renforcer la part des énergies renouvelables dans le mix énergétique, les défis techniques et économiques sont encore nombreux. Pour développer l’éolien offshore, la recherche intervient à plusieurs niveaux : la réduction des coûts, la durée de vie des structures et des matériaux, et enfin l’adaptation à l’environnement (sol, vent, salinité, etc.).

Qu’elles soient sur des fondations fixes, telles que les monopieux, ou flottantes, les éoliennes en mer atteignent 250 à 300 mètres. À hauteur d’une tour Eiffel, elles génèrent en moyenne 15 mégawatts d’électricité. « Imaginez 100 à 150 turbines sur 100 km², soit une fois Paris, voilà ce que peut représenter une ferme », précise Christelle Abadie, chercheuse au Département GERS de l’Université Gustave Eiffel, spécialiste de la géotechnique offshore. « Il faut donc chercher des moyens de réduire les coûts, économiques et environnementaux. La fondation est l’élément clé qui assure la stabilité de chaque éolienne et elle représente 22% du coût total. »

Seulement, au-dessous de 80 m de profondeur, il n’est plus possible d’installer des éoliennes sur des fondations fixes. « En France, on a beaucoup de vent au large, mais les sols sont profonds très rapidement », rappelle Christelle Abadie. « Développer le flottant est donc un enjeu considérable, surtout pour la France. »

Les éoliennes flottantes constituent une nouvelle étape, encore au stade du prototype, qui permettrait de s’éloigner des côtes pour accéder à des vents plus forts et plus stables, et d’intensifier le nombre de fermes éoliennes sans altérer les paysages côtiers. Quatre concepts de flotteurs de base (la tension leg plateform, la barge, le semi-submersible, le spar), depuis lesquels sont dérivés des dizaines de prototypes, sont à l’étude afin de permettre de soutenir les futurs éolienne, telles que Floatgen, au large de Saint-Nazaire. Chaque éolienne est amarrée par le biais de 3 à 9 systèmes d’ancrage (câble + ancre). Pour une ferme de 100 éoliennes, cela fait 300 à 900 ancrages à concevoir, fabriquer, installer et maintenir. Et si nous pouvions amarrer plusieurs éoliennes sur un seul et même ancrage ? « Nous développons des ancres mutualisées, partagées entre plusieurs lignes d’amarrage, afin de réduire jusqu’à 60 % le nombre total d’ancres nécessaires. C’est un levier important pour optimiser les coûts et l’empreinte environnementale des fermes éoliennes flottantes. Mais il faut d’abord comprendre comment fonctionnent ces ancres sous chargement multidirectionnel cyclique générés par les différentes lignes d’amarrage. Si l’une des ancres s’arrache, les charges se redistribuent aux autres, pouvant déclencher une rupture en cascade et compromettre la stabilité de la ferme », renseigne Christelle Abadie. « Notre laboratoire étudie ces mécanismes grâce à la centrifugeuse géotechnique. »

Si l’énergie marine est de loin l’énergie renouvelable la plus productive, les pertes restent cependant importantes. L’enjeu économique intervient aussi lors du transport de l’électricité par le biais des câbles conducteurs. « On maitrise la performance des éoliennes offshore, mais l’objectif est aujourd’hui de limiter les pertes en énergie produite, car le chemin est long jusqu’au port », souligne Lamine Dieng, chercheur au sein du département MAST de l’Université Gustave Eiffel. Ainsi, le choix et l’installation des lignes d’ancrage et des câbles de transport qui permettront d’une part de sécuriser les installations et d’autre part d’acheminer l’énergie produite ont un impact déterminant sur le projet d’une ferme éolienne offshore.

La durée de vie des fondations et des câbles d’une éolienne offshore s’échelonne entre 25 à 50 ans. « En cherchant à améliorer la conception et la compréhension du comportement du sol et des fondations, on va pouvoir prolonger  la durée de vie des fondations et de la ferme éolienne, produire plus d’électricité et réduire les coûts. » explique Christelle Abadie. Améliorer la durée de vie des structures est un enjeu central dans le développement de parcs éoliens offshore.

Les câbles de transport d’énergie fonctionnent, quant à eux, entre 20 et 50 ans en fonction de leur nature et de leur entretien. « L’enjeu de la recherche aujourd’hui est d’essayer de repousser la durée de vie des éoliennes à 100 ans, en développant des moyens d’entretien face à l’abrasion et la fatigue des câbles », affirme Lamine Dieng.

Adapter l’éolienne à son environnement, en fonction des sols, des vents ou encore du niveau de salinité, et minimiser son impact sur l’écosystème sont des problématiques dont s’emparent les laboratoires de recherche. À mesure que l’éolien offshore se développe, les chercheurs développent des fondations capables de s’adapter à de nouveaux types de sols qui sont plus complexes. « En France, les parcs éoliens en mer de Saint-Nazaire, Noirmoutier et Courseulles représentent un véritable défi technologique mondial, nécessitant des opérations de forage de très grand diamètre pour l'installation des fondations dans des roches carbonatées particulièrement résistantes », informe Christelle Abadie.

Les scientifiques cherchent aussi à développer d’autres méthodes d’installation de monopieux pour pouvoir se passer du marteau, qui perturbe beaucoup la vie marine. Des tests sont effectués pour créer un « vibrofonceur » afin d’installer les monopieux grâce à la vibration du sol.

De nombreux projets de recherche en cours permettront donc à court et moyen terme de développer les énergies marines, ressources considérables dans le bouquet d’énergies renouvelables de demain.

EMR : Les Énergies Marines Renouvelables désignent toutes les formes d’exploitation des ressources renouvelables issues du milieu marin : marées (énergie marémotrice), courants (énergie hydrolienne), vagues (énergie houlomotrice), chaleur (énergie thermique), salinité (énergie osmotique), biomasse et enfin vents (énergie éolienne marine).

Monopieu : les éoliennes sur fondations de type monopieux sont les plus courantes. Le monopieux est composé d’un seul pieu fixé sur le fond marin, d’un diamètre compris entre 5 et 15 mètres, sur environ 70 mètres de long, et pesant entre 500 et 1 000 tonnes.

Ligne d’ancrage : Les lignes d’ancrage permettent la stabilité des structures flottantes en mer, notamment des éoliennes. Elles sont constituées de chaînes en acier et de câbles synthétiques, et relient l’ancre fixée au sol à la plateforme, le « flotteur ».

¹Centre ministériel de valorisation des ressources humaines

L'interview a été réalisée par la Vice-Présidence Appui aux politiques publiques.