Les concepts de machine houlomotrice

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Production énergétique mondiale

La production mondiale d’électricité s’est vue augmenter de plus d’un facteur 4 entre 1971 et aujourd’hui (figure 1.1). Si cette production était majoritairement constituée d’énergie fossile et d’hydroélectricité en 1971, on observe le développement rapide du nucléaire au cours de cette période, puis le développement progressif des énergies renouvelables à partir des années 1990. Par ailleurs, il faut attendre le début des années 2000 pour voir s’accélérer le développement des énergies renouvelables.
Au-delà des considérations environnementales, la récente croissance des énergies renouvelables dans le mix énergétique mondial s’explique par une baisse significative des coûts de production (figure 1.2). En effet, les progrès scientifiques dans les différents domaines associés à ces énergies ont permis d’améliorer la compétitivité de ces énergies, au point que la majorité d’entre elles est devenue plus rentable que la production d’énergie fossile.
On notera par exemple le coût de l’énergie photovoltaïque divisé par un facteur 3, 6 en seulement 7 ans, ou encore la diminution de 20% du coût de l’éolien terrestre sur la même période. De plus, si le coût des énergies renouvelables tend à baisser, celui des énergies fossiles lui est à la hausse. Cette hausse est en partie due à l’accroissement de la complexité de l’exploitation de ces ressources, elle même causée par la raréfaction des sources d’énergie fossile.

La place de l’énergie houlomotrice

L’idée de récupérer l’énergie des vagues n’est pas nouvelle. C’est en 1799 qu’est publié, par Girard et fils, le premier brevet de récupération d’énergie houlomotrice proposant d’extraire l’énergie d’un corps flottant en pilonnement animé par la houle (figure 1.3) [70]. Il y est déjà fait état du grand potentiel énergétique de la houle, et de la prédictibilité de cette ressource. De plus, les auteurs présentent déjà l’intérêt du dimensionnement du corps flottant et de la contrainte appliquée au système sur le rendement de la machine.
Figure 1.3 – Extrait de la planche accompagnant le brevet de 1799 publié par Girard père et fils [70].
Il faut ensuite attendre 1876 pour voir brevetée et construite la première machine utilisant cette ressource. Il s’agit alors d’une bouée sifflante utilisée pour la signalisation maritime, inventée par J.M. Courtenay (figure 1.4). Le système exploite le mouvement d’une colonne d’eau oscillante permettant de mettre en pression un volume d’air, qui à son tour actionne un sifflet de locomotive. Cette bouée est considérée comme l’ancêtre des systèmes houlomoteur à colonne d’eau oscillante (OWC). En 1885, 34 de ces bouées sont à flot [56].
Peu après le choc pétrolier de 1973, Salter publie un article dans Nature nommé «Wave Power » [80], qui marque le début de l’ère moderne de l’énergie houlomotrice. Cet article fondateur quantifie l’énergie récupérable dans cette ressource, met en évidence certaines considérations à prendre en compte lors de l’élaboration de récupérateurs d’énergie des vagues, et propose un design innovant qui gardera le nom de Salter’s Duck (figure 1.5).
À partir de cette période, les projets de recherche et industriels relatifs à l’énergie houlomotrice se multiplient, et en 1980 plus de 1000 brevets avaient déjà été déposés [32].
Aujourd’hui, le nombre de brevets de machine houlomotrice est estimé à plus 3000 [84].
Figure 1.4 – Schéma représentatif de la bouée sifflante de Courtenay (à gauche), et cliché d’un dérivé de cette machine à Point Fermin, San Pedro, réalisé en 1890 (à droite) (California Historical Society Collection).
Figure 1.5 – Design du Salter’s Duck présenté dans [80].
Si l’énergie houlomotrice suscite tant d’intérêt, c’est que l’océan représente une immense ressource énergétique. La puissance totale des vagues incidentes sur les côtes mondiales est estimée à 2, 11±0, 05 TW [49]. Cette valeur a été calculée à partir des données obtenues avec le code de calcul NOAA WaveWatch III [83], et en intégrant le flux d’énergie de la houle le long d’une ligne située à 30 miles nautiques des côtes sur une période de 6 ans. Bien qu’il ne soit pas possible d’extraire la totalité de cette énergie, l’auteur de cette évaluation de ressource présente une estimation de l’énergie récupérable en supposant l’utilisation du système houlomoteur Pelamis sur l’ensemble des côtes. Il est alors estimé que dans cette configuration 4, 6% de la ressource houlomotrice peut être extraite, soit une puissance moyenne de 96, 6 ± 1, 3GW.
Au cours des dernières décennies, plusieurs sites d’essais ont vu le jour. On peut citer notamment le site d’essai d’Aguçadoura au Portugal où le Pelamis a été testé totalisant une puissance de 2, 25MW, ou encore celui de Limpet (0, 5MW) et d’Orkney (0, 8MW) en Écosse. Les machines houlomotrices testées sur ces sites ne sont à ce jour plus en service, mais elles ont permis d’acquérir de précieuses données pour le développement de la technologie houlomotrice. Par ailleurs, d’autres projets comme la centrale de Mutribuki (0, 3MW) en Espagne sont encore en service. La liste des projets présentée ici est loin d’être exhaustive. En effet, de nombreux autres projets d’envergures variées ont été mis en place, ou sont prévus dans un futur proche. Aujourd’hui, aucune centrale de production de grande échelle n’est en service, mais les annonces de plusieurs projets, comme celui de Seabased au Ghana avec une centrale de 100MW, sont encourageantes pour l’avenir de la filière.
L’absence de site de production de grande ampleur dans le domaine de l’énergie des vagues est significative du retard de cette technologie au regard des autres énergies renouvelables comme l’éolien ou le solaire. Encore considérée comme immature, la technologie houlomotrice doit encore relever de nombreux défis technologiques et scientifiques pour atteindre un niveau de compétitivité satisfaisant sur le marché de l’énergie.

Défis technologiques et scientifiques

Parmi les défis technologiques et scientifiques liés à la ressource houlomotrice, plusieurs grands axes peuvent être mis en avant : les problèmes de survivabilité dans les conditions de houles extrêmes, le développement de stratégies et d’outils de maintenance, les difficultés liées à l’ancrage (installation, raccordement au réseau, bio-encrassement, modification de la dynamique de la machine), l’injection de l’énergie dans le réseau électrique (forte intermittence de la production), ou encore la réduction des coûts de l’énergie houlomotrice notamment par l’augmentation du rendement des machines.
Les récupérateurs d’énergie des vagues sont conçus pour extraire au mieux l’énergie dans des conditions de houle données. Ainsi, lorsque ces machines sont correctement dimensionnées, elles présentent une forte réponse dynamique à la houle incidente. Ces systèmes sont dimensionnés pour récupérer l’énergie dans des valeurs moyennes d’état de mer, or ces valeurs peuvent devenir extrêmes lors de phénomènes météorologiques violents. Il est par conséquent délicat de pouvoir assurer la fiabilité et la survivabilité des systèmes houlomoteurs face aux conditions de houles extrêmes, car les forces soumises aux systèmes sont de loin supérieures aux valeurs nominales. Cependant, il est primordial de pouvoir assurer la robustesse de ces systèmes sur plusieurs années de façon à assurer leur viabilité commerciale [24].
L’installation et la maintenance des machines houlomotrices imposent le développement de nouveaux outils. De façon à pouvoir intervenir sur les unités de la ferme, la conception de vaisseaux spécialisés ou le remorquage jusqu’au port des machines concernées est requis. Quelle que soit la stratégie de maintenance mise en place, celle-ci doit nécessairement être planifiée pour correspondre aux conditions météorologiques. Ainsi, en cas d’avaries, le délai d’attente avant l’intervention peut être considérable. Il est donc primordial de pouvoir anticiper les maintenances afin de conserver un facteur de charge compétitif. De manière générale, les coûts d’installation et de maintenance d’une ferme de génératrice houlomotrice constituent une part importante du coût global du projet. Il est donc primordial d’adopter des stratégies opérationnelles visant à minimiser ces coûts [2, 12].
Lors de la conception des ancrages d’un système houlomoteur, il convient d’évaluer finement la fatigue subie par les lignes d’ancrages et les câbles de raccordement au réseau pour assurer leur résistance sur toute la durée d’exploitation de la ferme. Les phénomènes de bio-encrassement peuvent avoir un impact sur les forces générées par les vagues et les courants sur les éléments d’ancrages, ce qui rend cette analyse délicate. De plus, au-delà de l’augmentation de la fatigue des éléments d’ancrage, le bio-encrassement peut aussi impacter les performances des machines houloumotrices [87].
Dues à la nature oscillatoire de la ressource houlomotrice, de fortes variations sont observées dans le signal de puissance généré par les machines. Pour injecter de l’énergie dans le réseau électrique, il est imposé de respecter des contraintes précises concernant la qualité du signal. L’augmentation du nombre de machines dans une ferme de génératrice tend à lisser la production du signal, mais il est toujours nécessaire de mettre en place des systèmes de régulation de puissance, comme l’ajout de super-capacités, pour respecter les contraintes réseau [23]. De plus, lors de l’utilisation de système réactif (section 1.5), il peut être nécessaire d’utiliser ponctuellement l’énergie du réseau électrique pour augmenter le rendement des machines.
Le coût de l’énergie houlomotrice est aujourd’hui estimé entre 0.56€/kWh et 0.71€/kWh.
Ces estimations varient fortement, car les concepts de machines sont très hétérogènes, et car il n’existe pour l’heure pas de déploiement à l’échelle industrielle. Bien supérieurs à ceux des autres énergies renouvelables, les prix de l’énergie houlomotrice freinent considérablement le déploiement des sites de production et impliquent nécessairement le soutien financier des gouvernements. L’Union Européenne cible un prix de l’énergie houlomotrice à 0.22€/kWh à l’horizon 2030, ce qui constitue un défi colossal [82].
Une des approches permettant de réduire le coût de production de l’énergie des vagues est d’augmenter le rendement des génératrices houlomotrices. Avec l’application de stratégies de contrôle des machines houlomotrices, il est possible d’augmenter significativement leur rendement. Ce point correspond à une des deux grandes motivations de ce travail de thèse, à savoir le développement d’une stratégie de contrôle de systèmes houlomoteurs. D’autre part, l’amélioration de la rentabilité des sites houlomoteurs vient avec l’augmentation de la puissance globale des sites de productions. Les récupérateurs d’énergie des vagues possèdent des dimensions optimisées pour les états de mer dans lesquels ils évoluent. Pour augmenter la puissance de la ferme, il n’est donc pas toujours possible d’augmenter la puissance de chaque unité. Il est alors nécessaire de concevoir des fermes constituées de nombreuses machines [32]. Cette considération constitue la deuxième motivation de ce travail de thèse : la prise en compte des différentes interactions hydrodynamique entre les corps flottants dans la stratégie de contrôle, maximisant ainsi la récupération d’énergie globale de la ferme.

Les concepts de machine houlomotrice

Il existe de nombreux concepts de génératrice houlomotrice. Ces concepts diffèrent principalement par la façon dont l’énergie de la houle est captée par le système, par leur positionnement par rapport à la côte, et par la profondeur d’eau dans laquelle les systèmes sont installés. Parmi les milliers de brevets déposés sur les récupérateurs d’énergie des vagues, seule une partie a fait l’objet de recherche et de développement.
On décompte aujourd’hui une centaine de projets en phase de développement ou d’essai [32]. Si les concepts de récupérateur sont très variés, il est toutefois possible de les regrouper en 5 grandes familles. Les illustrations utilisées ici proviennent d’Aqua-Ret [4].
Figure 1.6 – Atténuateur.
Les systèmes atténuateurs sont des machines flottantes pouvant être utilisées au large, en eaux profondes. Constitués de plusieurs segments mobiles alignés dans le sens de propagation de la houle, ces systèmes sont de dimension supérieure ou égale à la longueur d’onde dominante de la houle. L’action des vagues permet le mouvement relatif des différents segments, et l’énergie est récupérée à l’aide d’un Power Take-Off (PTO) permettant la conversion de l’énergie mécanique en électricité. Pour ce type de système, le PTO est le plus souvent constitué d’un système hydraulique ou pneumatique.
Figure 1.7 – Flotteur en rotation.
Utilisés proches des côtes, en eaux peu profondes, les flotteurs en rotation sont animés par les mouvements de cavalement de la houle. Le flotteur est relié à son ancrage par un axe de rotation horizontal situé proche du fond et contenant le système de conversion d’énergie. De manière générale, le flotteur est dimensionné pour correspondre à la hauteur de la colonne d’eau, et certains dispositifs peuvent même dépasser la surface libre. De par leur géométrie, ces systèmes peuvent être retenus au fond dans le cas d’épisodes météorologiques violents, ce qui renforce la survivabilité des machines.
Les systèmes à colonne d’eau oscillante (OWC) sont constitués d’une structure creuse partiellement immergée contenant un volume d’air au-dessus de la surface libre. La structure présente une ouverture sous-marine permettant à la pression induite par les vagues incidentes de faire varier le niveau de la surface libre à l’intérieur de la colonne.
Les déplacements de la surface libre entrainent la compression du volume d’air qui est alors turbiné pour convertir l’énergie mécanique en électricité.
Figure 1.8 – Système à colonne d’eau oscillante (OWC).
Les OWCs sont majoritairement représentés par des structures fixes positionnées sur la côte ou non loin du bord, cependant il existe aussi des systèmes flottants utilisant le même principe de récupération. Le coût de construction des OWCs est largement dominé par celui de la construction de la structure. Ces systèmes peuvent être intégrés à la construction de digue pour réduire les coûts du projet et faciliter leur maintenance.
Figure 1.9 – Centrale à déferlement.
Les centrales à déferlement captent l’énergie houlomotrice en laissant déborder les vagues incidentes dans un réservoir situé au-dessus du niveau moyen de la surface libre. Le volume d’eau stocké dans le réservoir constitue une réserve d’énergie potentielle qui est ensuite convertie en électricité à l’aide de turbines hydrauliques.
Grâce au stockage de l’énergie houlomotrice sous forme d’énergie potentielle, les centrales à déferlement permettent d’obtenir un signal de puissance plus lisse que ceux obtenus par conversion directe du mouvement de vagues. Ces systèmes prennent la forme de dispositifs fixes ou flottants, et peuvent profiter de la topographie naturelle du site pour constituer le bassin de stockage et tirer profit des effets de concentration de vague.
Les « point absorbers » sont des systèmes oscillants de dimension inférieure à celle de la longueur d’onde dominante de la houle. Flottants ou immergés, ces systèmes peuvent être déployés au large en eaux profondes et récupèrent l’énergie de la houle proche de la surface libre dans toutes les directions. Dans le cas des « point absorbers », les systèmes de conversion d’énergie sont variés et peuvent reposer sur des technologies hydrauliques, pneumatiques, ou encore de conversion directe (direct-drive).

Table des matières

1 Introduction 
1.1 Avant-propos
1.2 Contexte
1.2.1 Production énergétique mondiale
1.2.2 La place de l’énergie houlomotrice
1.3 Défis technologiques et scientifiques
1.4 Les concepts de machine houlomotrice
1.5 Contrôle des point absorbers
1.5.1 Power take-off et conversion d’énergie
1.5.2 Nécessité des méthodes de contrôle
1.5.3 Méthodes de contrôle
1.5.3.1 Formes de contrôle résistif
1.5.3.2 Formes de contrôle réactif
1.5.3.3 Contrôle adaptatif
1.5.3.4 Contrôle de ferme
1.6 Les modèles d’interaction vague structure
1.6.1 Présentation des modèles
1.6.2 Application au contrôle de ferme
1.7 Méthodes de prévisions de la force d’excitation
1.8 Objectifs de la thèse
2 Mise en place du simulateur de ferme houlomotrice 
2.1 Théorie linéarisée des écoulements à potentiel
2.1.1 Problème aux limites
2.1.2 Expression des efforts linéaires à partir du potentiel
2.2 Résolution du problème aux limites
2.2.1 Méthode BEM – Code NEMOH
2.2.2 Méthode semi-analytique
2.2.3 Comparaison des coefficients hydrodynamiques
2.3 Résolution dans le domaine temporel : équation de Cummins
2.4 Représentation d’état
2.5 Identification de la radiation
2.5.1 Identification en système SISO
2.5.2 Identification en système MIMO
2.5.3 Passivité
2.6 Caractéristiques du simulateur
2.6.1 Calcul et mise en forme des coefficients hydrodynamiques
2.6.2 Pré-processeur
2.6.3 Intégration numérique et contrôle
2.6.4 Dynamique transitoire
2.6.5 Vérifications
2.6.5.1 Vérification de la phase et de l’amplitude en houle polychromatique
2.6.5.2 Vérification de la réponse en amplitude
3 Théorie et analyse du contrôle collaboratif 
3.1 Méthode de contrôle collaboratif
3.1.1 Géométrie utilisée au cours de l’étude
3.1.2 Théorie du contrôle optimal
3.1.2.1 Expression du contrôle optimal sans contrainte pour un corps isolé
3.1.2.2 Expression du contrôle optimal d’un groupe de N corps
3.1.3 Contrôleur optimal en domaine temporel
3.1.4 Non causalité du contrôleur optimal
3.1.5 Fenêtrage du contrôleur optimal
3.1.5.1 Pulsation de coupure basse fréquence
3.1.5.2 Pulsation de coupure haute fréquence
3.1.5.3 Intersection
3.1.5.4 Rendement du contrôleur optimal fenêtré
3.1.6 Fonction de transfert des vitesses
3.1.6.1 Fonction de transfert sans PTO
3.1.6.2 Fonction de transfert avec contrôleur optimal
3.1.7 Prévision de la vitesse
3.1.8 Forme pseudo causale du contrôleur
3.1.9 Premières vérifications
3.1.10 Remarques sur la discrétisation des coefficients hydrodynamiques
3.2 Étude de sensibilité
3.2.1 Plan d’expérience
3.2.2 Coefficient d’optimalité
3.2.3 Analyse de la stabilité
3.2.4 Raffinement de l’étude pour les corps proches
3.2.5 Identification et analyse des paramètres optimaux
3.2.6 Points de fonctionnement réalistes
3.2.7 Synthèse
4 Analyse des résultats numériques 
4.1 Discrétisation fréquentielle
4.1.1 Corps libres
4.1.2 Corps contrôlés
4.2 Discrétisation temporelle
4.2.1 Corps libres
4.2.2 Stratégie de contrôle collaboratif
4.3 Validation de la stratégie de contrôle pour un groupe de deux corps
4.3.1 Prévision de vitesse
4.3.2 Conditions d’optimalité
4.4 Validation de la stratégie de contrôle avec les coefficients hydrodynamiques issus de méthode BEM
4.5 Impact du déplacement moyen en cavalement sur la méthode
4.6 Orientation et étalement directionnel de la houle
4.6.1 Erreur de mesure de l’orientation de la houle
4.6.2 Étalement spectral directionnel
4.7 Application à une ferme complexe
4.7.1 Impact du contrôleur sur le facteur d’interaction
4.7.1.1 PTO passif
4.7.1.2 Contrôle optimal
4.7.2 Simulation d’une ferme de 10 machines
4.7.2.1 Impact du fenêtrage sur la récupération
4.7.2.2 Résultats en domaine temporel
5 Conclusions et perspectives 
5.1 Conclusions
5.2 Perspectives
Bibliographie 
A Correction des fréquences irrégulières de NEMOH
B Paramètres du simulateur
B.1 Paramètres de la classe ferme
B.2 Paramètres de la classe simulation
C Résultats de l’étude de sensibilité
C.1 Étude de sensibilité générale
C.2 Étude de sensibilité des corps proches
D Étude de convergence en maillage
E Spectre directionnel de houle

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