Contexte
Le projet d’attractivité FLOATEOLE profitera de la complémentarité entre l’expertise du laboratoire d’accueil LHEEA en matière de génie océanique, de dynamique de l’atmosphère et de métrologie, et l’expertise développée par la titulaire du poste de professeur d’universités ouvert à Centrale Nantes en septembre 2017, Sandrine Aubrun, sur la caractérisation expérimentale (mesures en soufflerie et in-situ) des sillages d’éoliennes et de leurs interactions. En faisant appel à plusieurs équipes et plateformes d’essais du laboratoire, Il sera utilisé comme un levier d’intégration rapide de la candidate et dynamisera la mise en place de sa mission d’animation transversale de l’activité « éolien en mer » dans le laboratoire.
WEAMEC WEBINAIRE SUR LE PROJET FLOATEOLE – Septembre 2020
Ruptures scientifiques et innovation
- Approche multidisciplinaire pour la caractérisation du couplage houle/vent/structure d’une éolienne flottante.
- Émulation des mouvements d’un flotteur d’éolienne soumis à la houle dans une soufflerie à couche limite atmosphérique.
- Expérimentations réalisées en milieux maitrisés (soufflerie atmosphérique) et réel (SEM-REV).
- Établissement de modèles dynamiques de sillages dédiés à l’éolien flottant.
Impact technique et économique attendu
Le projet FLOATEOLE s’inscrit dans la volonté du laboratoire de recherche en Hydrodynamique, Energétique et Environnement Atmosphérique (LHEEA) de contribuer, à travers une approche multidisciplinaire, à l’optimisation du fonctionnement des éoliennes flottantes par une meilleure compréhension des conséquences du couplage houle/vent/structure sur la performance et la durabilité des aérogénérateurs soumis à des conditions de fonctionnement particulièrement hostiles et non déterministes.
L’objectif est de combiner des expérimentations réalisées en soufflerie et en mer afin de caractériser l’effet de la houle sur le comportement aérodynamique des éoliennes flottantes et sur le développement de leurs sillages. En effet, les interactions de sillages, particulièrement intenses en environnement marin, ont le double inconvénient de pénaliser la ressource éolienne disponible et d’augmenter la fatigue structurelle des éoliennes. Les effets de houle sont émulés en soufflerie par la mise en mouvement contrôlée de modèles d’éoliennes afin de reproduire des états de mer idéalisés, puis plus réalistes. Le comportement instationnaire du sillage des éoliennes soumis à ces mouvements est alors caractérisé afin de proposer des modèles de méandrement de sillage adapté aux éoliennes flottantes. Ce travail est complété avantageusement avec de la mesure in-situ par lidar scannant dans l’environnement proche de l’éolienne-prototype flottante du projet FLOATGEN afin de capturer des informations pertinentes sur la ressource éolienne et sur le sillage en conditions de houle réelles.
Le projet FLOATEOLE permet de conforter la place de la Région Pays de Loire dans le paysage de la recherche en énergie éolienne offshore, en se positionnant sur un défi très actuel, l’optimisation des énergies marines dans l’objectif de répondre aux enjeux énergétiques, climatiques et socio-économiques exigés par le processus de transition énergétique.
Dates clés du projet
- Novembre 2017 - Lancement du projet
- Octobre 2019 - Emulation des mouvements 1 DdL du flotteur en soufflerie à couche limite atmosphérique
- Hiver 2021 - Emulation des mouvements 3 DdL du flotteur en soufflerie à couche limite atmosphérique
- Printemps 2022 - Mesures de la ressource éolienne sur le prototype FLOATGEN installé au SEM-REV
- Novembre 2022 - Modèles dynamiques de sillages pour éoliennes flottantes
Démonstrateur
Émulateur des mouvements d’un flotteur d’éolienne soumis à la houle dans une soufflerie à couche limite atmosphérique.
Résultats
La première année avait été principalement consacrée à la préparation des outils nécessaires au démarrage du volet expérimental en soufflerie du projet FLOATEOLE (conditionnement de la soufflerie atmosphérique et validation, choix de l’émulateur de mouvement). Pour ce faire, un élève ingénieur en stage de fin d’étude a travaillé pendant cinq mois à la détermination du cahier des charges pour le choix du système électromécanique qui sera utilisé en soufflerie afin d’émuler les mouvements du flotteur. Il a également dimensionné le dispositif expérimental utilisé dans la soufflerie atmosphérique du laboratoire permettant la reproduction à échelle très réduite d’une couche limite atmosphérique de type marine. Il a réalisé des mesures préliminaires, permettant au doctorant recruté en octobre 2018 de démarrer de façon optimale son travail de thèse.
La deuxième année a été consacrée à la finalisation de la reproduction de la couche limite atmosphérique marine à l’échelle du 1/500 et à la caractérisation de l’écoulement en aval d’un modèle d’éolienne basé sur le concept de disque poreux. Le développement d’un dispositif de reproduction à l’échelle d’un degré de liberté des mouvements d’un flotteur a également été réalisé. Le premier mouvement testé a été un mouvement harmonique de cavalement. Une étude paramétrique sur l’amplitude et la période du mouvement a été réalisée et a déjà permis de mettre en évidence une réduction du taux de turbulence à une distance de quatre unités de diamètre en aval du modèle d’éolienne lorsqu’il est soumis à un mouvement de cavalement. Ces résultats très récents demandent à être complétés et interprétés.
Profils verticaux de vitesse moyenne en aval d’un modèle d’éolienne flottante en fonction de la fréquence imposée de cavalement.
La troisième année a été consacrée à la caractérisation plus fine de l’impact du cavalement et de l’embardée périodique sur la résorption du sillage éolien. Des mesures de champs de vitesses obtenues par Vélocimétrie stéréoscopique par Imagerie de Particules (Stéreo-PIV) ont permis d’observer l’évolution du sillage sur plusieurs diamètres en aval du modèle d’éolienne. Des traitements de données supplémentaires sont nécessaires pour caractériser les mécanismes physiques responsables de la modification du sillage des éoliennes flottantes.
La définition du cahier des charges et la sélection du système de déplacements à 3 degrés de liberté ont également été finalisées durant cette troisième année. 2 systèmes ont été achetés en 2020 grâce au financement du présent projet, complété par le projet WEAMEC 3D4FLOATEOLE.
Exemple de champs de vitesse moyenne mesurée grâce à de la stereo-PIV en aval d’un modèle d’éolienne flottante.
La quatrième année a été consacrée à la caractérisation des effets de mouvements à trois degrés de liberté (cavalement, pilonnement et tangage) séparés ou simultanés, idéalisés (harmoniques) ou réaliste (large bande). Un peigne de neuf fils chauds distribués dans un plan normal à l’écoulement, à 4,6D et 8D en aval du disque, a été utilisé pour caractériser la réponse fréquentielle à ces mouvements d’excitation du sillage lointain. Si une signature harmonique est clairement visible dans les spectres de vitesse pour des mouvements idéalisés de forte amplitude, une modification plus large bande du contenu spectral des fluctuations de vitesse apparait lors de mouvements plus réalistes.
Publications et communications produites
Séminaire national :
Communications en congrès nationaux sans actes :
- Caractérisation expérimentale de l’impact de la houle sur le comportement aérodynamique des éoliennes flottantes , Schliffke B, Journées des doctorants de l’ADEME, 11 13 mars 2019, Angers
- Modelling Floating Wind Turbines in an Atmospheric Boundary Layer, Benyamin SCHLIFFKE (Centrale Nantes), Colloque de l’Ancre Énergies marines / hydrauliques et éoliennes 2019
- Étude en soufflerie atmosphérique du sillage d’une éolienne flottante, Sandrine AUBRUN, Journée du GDR EOL-EMR, 25 octobre 2021, Paris. Présentation orale.
Communications en congrès internationaux sans actes :
- Examples of wind-turbine oriented aerodynamic challenges (Présentation), Sandrine AUBRUN, Caroline BRAUD, Boris CONAN, Benyamin SCHLIFFKE (Centrale Nantes), French American Innovation Day 2019, March 18-19, Boston
- Working at the Wind Tunnel Facility (Poster), Benyamin SCHLIFFKE (Centrale Nantes), French American Innovation Day 2019, March 18-19, Boston
- Modelling Floating Wind Turbines in an Atmospheric Boundary Layer, Benyamin SCHLIFFKE (Centrale Nantes), EAWE PhD, Octobre 2019, Nantes
- Multidisciplinary and multiscale research activities on floating wind energy at the LHEEA Lab from Centrale Nantes, JC Gilloteaux (Centrale Nantes,) S. Aubrun (Centrale Nantes), S. Kerkeni (DICE-Engineering), M. Lynch (INNOSEA), FOWT, 24-26 avril 2019 , Montpellier, France
- Research investigations on multi physic and multiscalekey topics for floating wind turbine behavior, Aubrun S, Gilloteaux JC, Kerkeni S, Lynch M, FOWT, 24-26 avril 2019 , Montpellier, France
- Effects of platform motions on FOWT rotor performances, Jean-Christophe Gilloteaux (LHEEA-Centrale Nantes/CNRS), Sandrine Aubrun(LHEEA-Centrale Nantes/CNRS), Félicien Bonnefoy(LHEEA-Centrale Nantes/CNRS), Publication EERA JP Wind Annual event-Online Conference-14-18 septembre 2020
- Wind Tunnel Study of a « Floating » Wind Turbine’s Wake in an Atmospheric Boundary Layer with Imposed Characteristic Surge Motion, Benyamin Schliffke et al., 16th PhD Seminar, 14 -16 décembre 2020, online
- Experimental Characterisation of a Simplified Floating Offshore Wind Turbine Model’s Wake under Imposed Idealised Motion, Schliffke B, Conan B, Aubrun S, 16th PhD Seminar, 14 -16 décembre 2020, online
- Experimental Characterisation of a Simplified Floating Offshore Wind Turbine Model’s Wake under Imposed Idealised Motion, Schliffke B, Conan B, Aubrun S, WESC 2021, 25-27 mai 2021, Online
- Wind Tunnel Study of a « Floating » Wind Turbine’s Wake in an Atmospheric Boundary Layer with Imposed Characteristic Surge Motion, Schliffke B, Conan B, Aubrun S, WESC 2021, 25-27 mai 2021, Online
Communications en congrès internationaux avec actes :
- Wind Tunnel Study of a « Floating » Wind Turbine’s Wake in an Atmospheric Boundary Layer with Imposed Characteristic Surge Motion, Benyamin Schliffke et al., TORQUE 2020, 28 septembre-02 octobre, online
Publication
- Wind Tunnel Study of a « Floating » Wind Turbine’s Wake in an Atmospheric Boundary Layer with Imposed Characteristic Surge Motion, Benyamin Schliffke et al., Journal of Physics: Conference Series, Volume 1618, 21 September 2020
Perspectives
Le projet européen H2020-MSCA-ITN FLOAWER (FLOAting Wind Energy netwoRk) a démarré au 1er novembre 2019. Il est composé de 10 partenaires bénéficiaires et de 11 partenaires associés (cadémiques et industriels). Centrale Nantes et coordinateur du projet. FLOAWER formera 13 jeunes chercheurs (Early Stage Researchers) grâce à un programme multidisciplinaire avec comme objectif la conception d’éoliennes flottantes plus performantes et compétitives. Site web FLOAWER : www.floawer-h2020.eu
Le projet FLOATEOLE a également permis de collaborer avec le consortium allemand impliqué dans VAMOS (Univ Stuttgart, TU Hamburg, DNV-GL and UL, DEWI et Sowento). Ce projet a démarré en juillet 2019 pour une période de trois ans. Il permettra une expérimentation commune sur FLOATGEN, une collaboration sur l’exploitation des mesures et l’étude des modèles de sillages.
