Fixation des machines

Les hydroliennes sont des machines destinées à fonctionner immergées, dans un milieu hostile, où l'accès est rendu délicat à cause de l'existence même des courants dont on désire exploiter l'énergie. Il est donc essentiel que les hydroliennes soient conçues d'emblée en vue d'obtenir une grande fiabilité et un besoin très faible en maintenance. Dans cette optique, la fixation de l'hydrolienne au fond marin doit être réfléchie et dimensionnée de manière à maintenir cette dernière et ce même en cas de courants de tempête.

Il existe trois grands types de fixations :

  • fixation gravitaire : l'hydrolienne est posé sur un socle lourd. L'ensemble résiste aux courants par son propre poids.

Dans le cas de sites à très forts courants, le poids de l'hydrolienne peut s'avérer insuffisant. On fait alors le choix entre deux autres types de fixations :

  • pieux d'ancrage unique de gros diamètre
  • multiples pieux d'ancrage de faible diamètre

Leur dimensionnement tient compte des effets du courant et de la houle et du poids de l'hydrolienne.

Le choix de la fixation dépend du type d'hydrolienne mais aussi des caractéristiques du site d'implantation. Dans le cas présent, Sabella a fait le choix de la robustesse avec son hydrolienne D10 qui possède un poids important. Ainsi la fixation gravitaire semble la solution d'ancrage la plus adaptée. De plus, le passage du Fromveur étant un site au sol rocheux, la mise en place de pieux d'ancrage semble compromise tant d'un point de vue pratique qu'économique. L'emploi d'une fixation gravitaire permet aussi de réduire les impacts environnementaux (pas de forages nécessaires).

Une étude de stabilité simplifiée a été effectué pour le modèle d'hydrolienne retenu. Dans un premier temps, les efforts exercés sur l'ensemble hydrolienne ont été recensé.

Ici le parallèle avec les éoliennes est instructif. Pour une éolienne, la principale inquiétude est la fatigue des pales, due notamment aux efforts alternés de la pesanteur à chaque rotation. Dans une hydrolienne, la flottabilité des composants peut être mise à profit pour annuler l'effet de la pesanteur, et donc la fatigue cyclique. L'autre cause de fatigue des pales est la turbulence du vent. Les courants sont aussi le siège d'une turbulence importante, les irrégularités du fond marin créant des remous. De plus, si la zone est balayée par la houle, le mouvement cyclique des particules d'eau se superpose au courant, et la vitesse locale de l'eau varie d'un instant à l'autre. La conception des hydroliennes du consortium français tient compte de ces phénomènes éventuels, plus ou moins marqués selon le site d'implantation.

Dans la cas étudié, seul les effets cinétiques dus au courant seront pris en compte. En effet, le passage du Fromveur présente l'avantage de ne pas être animé par une forte houle. Les effets hydrodynamiques de la houle sont ainsi négligeables. De plus, la participation individuelle de chaque élément constituant l'hydrolienne (rotor, stator, pales, socle...) ne sera pas étudié, seule une étude globale sera conduite. L'hydrolienne D10 de Sabella peut s'apparenter dans l'ensemble à un triangle de base 20 mètres et de hauteur 15 mètres. L'ensemble présente un poids de 500 tonnes.

  • Étude de stabilité pour le cas de tempête :

Ne connaissant pas en détails les caractéristiques de la machine pour des raisons de confidentialité, le volume de l'ensemble a été déterminé en supposant que le matériaux principal était de l'acier de masse volumique 7500 kg/m3. De là, connaissant le poids total de l'ensemble, le volume V a été estimé à 67 m3.

Force Formule Valeurs (N)
Pression hydrodynamique exercée par l'eau $F_d = \frac{1}{2} \rho C_d S U²$ $1.306~10^6$
Poids apparent $P = (\rho_{acier} - \rho_{eau}) V g$ $4.355~10^6$

Avec :

- $ C_d = 0.86$ : coefficient de traînée de l'hydrolienne

-  $U = 4.5 m/s$ : vitesse maximale des courants en cas de tempête

- $\rho_{eau} = 1000 kg/m^3$ : masse volumique de l'eau

- $\rho_{acier} = 7500 kg/m^3$ : masse volumique de l'acier

- $S = 150 m^2$ : surface caractéristique perpendiculaire à l'écoulement (ici, triangle de base 20 m et de hauteur 15 m)

- $V = 67 m^3$ :  volume occupé par l'ensemble de la machine

Le principe fondamental de la statique peut s'écrire dans ce cas :

$\frac{F_d}{P} = \mu$

où $\mu$ est le coefficient de frottement. Ce dernier est une constante pour les couples de matériaux. Il est déterminé de manière expérimentale. Pour éviter le mouvement de l'hydrolienne il faut donc respecter l'inégalité suivante :

$F_d \leq \mu P$

Il a été impossible de trouver dans la littérature le coefficient de frottement statique entre l'acier et la roche. Cependant, sachant que ce coefficient est estimé à 0.6 pour un contact acier-acier et à 1 pour un contact chaussure- roche, on peut supposer que le frottement entre l'acier et la roche se situe aux alentours de 0.7. Même si aucunes données précises viennent appuyer cela, il faut garder en tête que la faune et la flore et les sédiments présents au fond favoriseront sûrement l'adhérence. Il n'est donc pas totalement faux de supposer que le coefficient de frottement est un petit peu plus élevé que celui correspondant au contact acier-acier.

Le poids minimal à respecter pour résister aux courants est donc de $P_{min} = \frac{F_d}{0.7} \approx 1.9~10^6 N$

 

Bilan :

Le poids de l'hydrolienne et de son socle lui permettent de résister aux courants que ce soit en cas de  de tempête extrême. On remarque d'ailleurs que Sabella a choisi de surdimensionner son hydrolienne. Ceci sûrement car une part importante des coûts pour de tels ouvrages est la maintenance.

Il faut cependant garder ici à l'esprit qu'il ne s'agit pas d'une étude approfondie du problème. Il serait intéressant de réaliser une étude prenant en compte les effets de fatigue des matériaux et peut-être aussi intégrer les effets de la houle.