Soutenance mémoire
Face à l’augmentation des émissions de gaz à effet de serre, les pays les plus industrialisés se sont accordés sur des objectifs communs pour leur réduction de 50 % d’ici à 2050. Pour atteindre ces objectifs, le recours aux énergies non polluantes est de mise. Les mers et les océans étant un véritable réservoir d’énergies renouvelables, nombreux sont les pays qui se sont lancés dans la conquête d’exploitation de ces énergies. Compte tenu de sa prévisibilité, l’énergie des courants marins a été identifiée comme l’une des plus prometteuses énergies vertes.
La France, disposant du second potentiel hydrolien et éolien offshore d’Europe, ambitionne d’être un des principaux acteurs du développement des Energies Marines Renouvelables (EMR). Afin d’accélérer le développement de ces énergies sur le plan national, une plate-forme nationale appelée France Energies Marines, associant les acteurs des secteurs public et privé, sous la houlette de l’Ifremer est en cours de création. Elle vise à mutualiser les outils nécessaires aux développements des différentes filières de production d’énergie marine (outils de simulation, sites d’essais en mer…). En parallèle, un Appel à Manifestation d’Intérêt (AMI) a été lancé par l’ADEME pour le développement de démonstrateurs en mer. Cet AMI est financé par le Fonds démonstrateur mis en place grâce au Grenelle de la mer. A ce jour, la France compte quelques acteurs industriels et laboratoires qui se lancent dans l’étape de test préindustriel en mer. En l’occurence, EDF souhaite se positionner en leader dans ce domaine par l’intermédiaire de son projet de parc pilote préindustriel de Paimpol-Bréhat utilisant la technologie de la société Irlandaise OpenHydro . Ce site pourrait également devenir un centre d’essais en mer pour les systèmes de récupération de l’énergie des courants. Les projets portés par Alstom, Gaz Intégral et Sabella font également partis des projets les plus avancés en France. Sabella a déjà testé l’un de ses prototypes appelé D03, de 3 m de diamètre , pendant un an, au large de Bénodet.
Hydrodynamique des hydroliennes
Le choix de l’emplacement d’une ferme d’hydroliennes à l’échelle industrielle exige l’évaluation d’un certain nombre de critères physiques et océanographiques. Ces critères de sélection et les moyens permettant de les caractériser sont présentés dans ce chapitre. Sachant que le plus important de ces critères est la détermination de la vitesse du courant du site à exploiter, nous nous attarderons sur l’évaluation de son potentiel. Nous discuterons ensuite de la turbulence dans un site, sachant que l’intensité de turbulence peut varier considérablement d’un endroit à un autre dans la zone d’exploitation. Ces variations de niveau de turbulence peuvent être dues à la bathymetrie et à la houle, entrainant, comme on le verra par la suite, des effets non négligeables sur l’efficacité des hydroliennes. Elles pourraient plus précisément provoquer des variations significatives sur le chargement des pales et les problèmes associés de fatigue et de vibration. Il est donc nécessaire de déterminer au mieux les caractéristiques de turbulence d’un site d’exploitation afin d’adapter en conséquence le dimensionnement des machines. Pour ce faire, des outils statistiques pour l’étude des écoulements turbulents et une modélisation empirique de l’intensité de turbulence dans le sillage d’une hydrolienne sont présentés.
Morphologie d’un site
La caractérisation d’un site d’exploitation de l’énergie des courants marins se fait à partir d’une sélection de critères. Cette sélection doit satisfaire des contraintes liées aux conditions d’exploitation (la vitesse du courant, sa variabilité spatio-temporelle, la turbulence, la houle, la bathymétrie,…), à la distance à la côte (transport de l’électricité), aux opérations de maintenance et à l’impact environnemental et socio-économique (sédiments, flore, faune, navigation, militaire, pêche,…).
Les critères liés au potentiel hydrolien sont déterminés par :
• La cartographie morpho-bathymétrique de l’ensemble du site d’exploitation jusqu’à la zone de transport de l’énergie récupérée. Elle est réalisée au moyen de sondeur monofaisceau ou multifaisceaux. Connaitre la bathymétrie d’un site est cruciale, car un fond marin rocheux pourrait avoir un impact sur l’intensité de turbulence et gêner l’installation du dispositif de convertion d’énergie.
• La cartographie des courants de la zone d’exploitation est le critère le plus important. Cette cartographie est réalisée au moyen de courantomètres, profileurs de courant à effet Doppler acoustique ou électromagnétique (ADCP pour Acoustic Doppler Current Profiler, ADV,…). Ces systèmes se sont révelés efficaces dans des études in situ en hydrodynamique marine et en océanographie. On trouve dans la littérature quelques études sur l’évaluation de la ressource exploitable dans des sites tels que : Orkney (UK), les Skerries d’Anglesey (UK), Pentland Firth (UK), Barfleur (France), Paimpol-Bréat (France), raz Blanchard (France), l’Île de Marrowstone (US), Admiralty Inlet (US),… Une étude sur la cartographie de SIG (Système d’Information Géographique) des ressources disponibles sur le site de Pentland Firth en Ecosse prenant en compte une multitude de contraintes est présentée par Dillon et Woolf [41].
• La détermination de la distance du site au rivage, car le coût de l’installation dépendra aussi de la distance du rivage à laquelle la profondeur de la zone d’exploitation exigée est atteinte.
Par ailleurs, la caractérisation du potentiel énergétique d’un site peut aussi être réalisée à l’aide des logiciels de simulations numériques. En l’occurence, le logiciel Telemac [47] développé par EDF, qui permet d’étudier des sites et qui est aussi utilisé pour la modélisation dans le domaine des écoulements à surface libre. Les cartographies des courants des sites Barfleur et Paimpol-Bréat . ont aussi été réalisées à l’aide du logiciel Telemac 2D.
Un autre exemple de développement d’outils numériques pour cartographier les courants et la bathymetrie est celui que Lawrence et al. [102] ont utilisé pour le site EMEC à Orkney au Royaume-Uni . Ils montrent respectivement la répartition de vitesses et de bathymetrie du site EMEC à Orkney. Les critères liés à l’impact environnemental et socio-économique de l’implantation d’un champ d’hydroliennes sont quant à eux, déterminés à l’aide de :
• La cartographie morpho-sédimentaire de l’ensemble du site d’exploitation jusqu’à la zone de transport d’énergie récupérée. Elle peut être réalisée à l’aide d’un sonar à balayage latéral.
Elle permettra de connaître la répartition et la nature des formations superficielles (vase, sable, …), et la morphologie associée (mégarides, rubans, traînées, ….) témoignant de la mobilité des sédiments.
• L’inventaire de la faune et de la flore benthiques, dans la zone concernée et à sa périphérie, afin de déterminer la diversité et la richesse biologiques, et de suivre leur évolution en cours d’exploitation.
• Le recensement des activités de pêche professionnelles ou récréatives, militaires ou de navigation sur le site ou dans ses environs immédiats, et la détermination du poids économique de ces activités.
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Table des matières
Introduction générale
I Généralités
1 Hydrodynamique des hydroliennes
1.1 Morphologie d’un site
1.1.1 Potentiel hydrolien
1.1.2 Caractérisation de la vitesse du courant par rapport à la profondeur
1.2 La turbulence dans un site
1.2.1 Outils statistiques pour l’étude de la turbulence
1.2.2 Intensité de turbulence
1.3 Sillage et comportement des hydroliennes
1.3.1 Sillage proche et sillage lointain
1.3.2 Modélisation du sillage et du comportement d’hydroliennes
1.4 Conclusion
II Outils expérimentaux et Méthodes numériques
2 Dispositifs expérimentaux, moyens de mesures et caractérisation de l’écoulement incident
2.1 Dispositifs expérimentaux et moyens de mesures
2.1.1 Bassin d’essais à houle et courant
2.1.2 Canal de traction
2.1.3 Maquette d’hydrolienne
2.1.4 Mesures des efforts et des performances
2.1.5 Mesures de houle
2.1.6 Mesures de sillage
2.2 Caractérisation de l’écoulement incident
2.2.1 Conditions d’essais courant seul avec différents taux de turbulence
2.2.2 Conditions d’essais houle-courant
2.3 Conclusion
3 Méthodes numériques
3.1 Méthode particulaire
3.1.1 Equation de mouvement
3.1.2 Discrétisation particulaire
3.1.3 Diffusion en méthode particulaire
3.1.4 Remaillage
3.2 Méthode intégrale
3.3 Algorithme de résolution
3.4 Calcul des efforts et moments
3.5 Validation du code 3D particulaire pour le cas d’une hydrolienne
3.5.1 Les paramètres de maillage des pales et la détermination du pas de temps
3.5.2 Convergence en maillage des pales en terme de performances
3.5.3 Caractérisation des performances et du sillage d’une hydrolienne
3.6 Conclusion
III Résultats
4 Comparaison de deux types de pales d’un rotor d’hydrolienne
4.1 Comparaison des efforts de traînée
4.2 Comparaison des coefficients de puissance
4.3 Comparaison sur les caractéristiques du sillage
4.4 Conclusion
5 Effets de l’angle d’incidence et de la profondeur d’immersion d’une hydrolienne sur son comportement
5.1 Effets de l’angle d’incidence de l’écoulement
5.1.1 Influence sur la traînée
5.1.2 Influence sur la Puissance récupérée
5.2 Effets de la profondeur d’immersion de la turbine sur son comportement
5.2.1 Influence sur le coefficient de puissance
5.2.2 Influence sur le coefficient de traînée
5.3 Conclusion
6 Effets du taux de turbulence ambiant
6.1 Influence sur l’efficacité de l’hydrolienne
6.1.1 Influence sur le rendement
6.1.2 Influence sur la tenue mécanique
6.2 Analyse des caractéristiques du sillage d’une hydrolienne
6.2.1 Evolution du sillage
6.2.2 Evolution de l’intensité de turbulence dans le sillage
6.2.3 Evolution de l’énergie cinétique turbulente dans le sillage
6.2.4 Evolution de la dissipation d’énergie cinétique turbulente dans le sillage
6.3 Evolution des lâchers tourbillonnaires en bout de pale
6.4 Conclusion
7 Confrontation des résultats expérimentaux avec les simulations numériques
Conclusion générale
