Agrégation externe SII - 2019 - Option SII et ingénierie mécanique - Épreuve de modélisation

Agrégation concours externe

Section : Sciences Industrielles de l’Ingénieur
Épreuve d'admissibilité
Option sciences industrielles de l'ingénieur et ingénierie mécanique

Support : Modélisation d’une éolienne offshore flottante

1. Contexte

a. Présentation générale

La production d’énergie électrique par la puissance du vent suscite un fort engouement ces dernières années. C’est une énergie réputée propre puisqu’elle ne nécessite pas de combustible fossile. Cependant, elle possède pour inconvénient un caractère intermittent puisqu’elle est tributaire des aléas météo. L’utilisation d’éoliennes « Offshore » présente différents avantages : couverture maritime vaste, conditions de vent plus favorables et moins aléatoires. En effet, l’absence d’obstacles en milieu maritime garantit des vitesses de vent plus élevées ce qui favorise la productivité. De plus, il y a moins de perturbations atmosphériques ce qui est moins contraignant d’un point de vue du dimensionnement mécanique.

Il faut cependant prendre en compte les phénomènes liés au milieu maritime tels que les effets des vagues, les caractéristiques du plancher océanique, l’environnement marin qui peuvent avoir des conséquences sur la conception des éoliennes.

Le développement de cette technique de production énergétique a été plus rapide dans les pays de l’Europe du nord qui bénéficient d’un plancher océanique peu profond (moins de 30 m). En ce qui concerne la France, le plateau continental plonge assez rapidement dès que l’on s’éloigne des côtes. C’est pourquoi l’utilisation de systèmes flottants est une alternative prometteuse.

Plusieurs projets de fermes pré-commerciales flottantes sont en cours de développement dans le cadre de l’appel à projet EOLFLO de l’ADME (Agence de l'Environnement et de la Maîtrise de l'Énergie). La technologie présentée dans la suite du sujet est proposée par SBM-Offshore en partenariat avec IFP Energies nouvelles.

b. Exigence globale du système

On pourra retenir les principales exigences liées à l’utilisation de ce système.

c. Architecture globale du système

Les éoliennes « Offshore » flottantes offrent plus de possibilités de positionnements géographiques mais possèdent un certain nombre de contraintes. L’éolienne sera alors soumise à des mouvements de balancier qui peuvent avoir des influences sur les sollicitations au niveau de la turbine et des pales.

La conception du système utilisé repose sur l’utilisation d’une structure de type TLP (« Tension Leg Platform »). C’est une plate-forme ancrée par des lignes d’ancrage tendues au fond marin. Le flotteur est composé de bouées et de bracons garantissant une structure rigide et légère. Enfin, l’éolienne est composée d’un mât, d’une turbine et de pales.

d. Problématique et architecture du sujet

Le sujet a pour but d’étudier les performances de l’éolienne flottante tout en respectant les exigences données par le diagramme en figure 1. Cinq parties sont proposées.

• Une première partie permet de s’approprier le sujet et le contexte d’étude en analysant les enjeux scientifiques et écologiques liés à l’exigence principale 1.
• Une deuxième partie permet de construire une modélisation dynamique de l’éolienne flottante tenant compte de son environnement extérieur. Il s’agira d’en étudier les paramètres de dimensionnement globaux garantissant une meilleure performance du système vérifiant l’exigence 1.1.3 (Stabilité vis-à-vis des conditions extérieures de vent et de houle).
• Une troisième partie s’intéresse au dimensionnement structurel du flotteur et s’intéressera à la vérification de l’exigence 1.2 (Garantir l'intégrité de la structure).
• Une quatrième partie repose sur la modélisation des paramètres de contrôle de l’éolienne pour en optimiser ses performances de production d’énergie (exigence 1.3.3.1 : Contrôler l'orientation des pales).
• Enfin une dernière partie propose de conclure sur les différentes études menées dans ce sujet et d’envisager leur prolongement.