Agrégation externe SII - 2024 - Épreuve de sciences industrielles de l'ingénieur

Agrégation concours externe

Section : Sciences Industrielles de l’Ingénieur
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Support : Site de test d’hydroliennes

Contexte de l’étude

L'énergie marémotrice potentiellement récupérable, issue des mouvements de l'eau créés par les marées dans les zones possibles d’exploitation, est évaluée à environ 380 TWh/an, soit 1,5 à 2 % de la consommation mondiale d'électricité. Cette énergie disponible est exploitable sous forme d'énergie potentielle (élévation du niveau de la mer) ou sous forme d'énergie cinétique (courants des marées).

L’entreprise SEENEOH, créée en 2015, développe et conçoit des sites d’essais en milieu naturel pour le test d’hydroliennes et de systèmes d’ancrages destinés à la production d’énergie hydrolienne. Elle propose aujourd’hui deux sites d’exploitation. Un premier en milieu océanique au large de l’île de Bréhat (figure 1) qui est dédié aux hydroliennes offshore pour le test de technologies océaniques à pleine échelle. Un second en milieu fluvial situé dans l’estuaire de la Gironde au coeur de la ville de Bordeaux (figure 2) permet d’éprouver les technologies fluviales ou à échelle réduite.

Plusieurs plateformes peuvent équiper les différents sites afin de proposer aux partenaires industriels et académiques un emplacement idéal pour tester et développer de nouvelles technologies de turbine.

Le site d’essais de Bordeaux, construit en 2016, présente des caractéristiques idéales pour le test d’hydroliennes (houle, débit, nature des fonds, infrastructures à proximité…) car il est exposé à d’importants courants influencés par le cycle des marées du Golfe de Gascogne ainsi que par le débit des rivières provenant du bassin versant de la Garonne et des Pyrénées.

Ce site expérimental unique au monde, situé près du pont de Pierre, permet de tester simultanément jusqu’à trois technologies d’hydroliennes raccordées au réseau électrique pour une capacité totale de 250 kW. Le site d’essais (voir figure 3) comporte une plateforme nommée BILBAO, support de cette étude, et deux systèmes d’ancrage, nommés QUEBEC et BRISTOL, en hommage aux villes jumelées avec Bordeaux.

Présentation de la plateforme BILBAO

La plateforme BILBAO est conçue pour tester des prototypes d’hydroliennes fluviales et océaniques.

Elle permet aux turbiniers d’implanter et d’utiliser différentes technologies d’hydrolienne quelles que soient les conditions extérieures (sens et intensité du courant, marnage, conditions de houle et de vent, etc.).

La plateforme BILBAO est constituée d’une unité flottante amarrée sur quatre lignes de mouillage et peut accueillir une ou plusieurs hydroliennes (à installer par l’exploitant) dans un puits central.

Elle est composée des principaux éléments suivants :

• un flotteur monobloc compartimenté en acier,
• quatre treuils électriques d’amarrage régulés automatiquement,
• quatre armoires électriques étanches,
• un enrouleur de câble à disposition de l’exploitant,
• un portique de levage,
• un coffre de rangement sur pont,
• divers capteurs (accéléromètres, capteurs de force, capteur ADCP…).

La mise en place de l’hydrolienne est réalisée par l’intermédiaire d’un châssis, propre à chaque turbinier, qui est installé sur le cadre de fixation de la plateforme (voir figure 4). La turbine est acheminée sur site à l’aide d’une barge de transport et d’une grue de chargement.

Les différents capteurs et l’armoire électrique personnalisable permettent à l’exploitant de récupérer les grandeurs d’intérêt et de gérer les paramètres de chaque essai.

L’énergie électrique produite par l’hydrolienne ainsi que les différentes informations renvoyées par les capteurs sont transmises au poste de conversion sur la berge par l’intermédiaire d’un câble sous-marin (CSM) et de l’enrouleur CSM.

Gestion du positionnement de la plateforme

Pour chaque essai, l’orientation de l’hydrolienne par rapport à la direction du courant doit être connue et maîtrisée. II est donc nécessaire d’orienter et de positionner la plateforme BILBAO par rapport à la veine de courant quelles que soient les conditions extérieures.

Pour contrôler le positionnement de la plateforme, il a été choisi d'amarrer la structure en quatre points (voir figure 3). Les amarres sont d’une part fixées sur des corps morts immergés disposés au fond du fleuve et d’autre part reliées à la plateforme par l’intermédiaire de quatre treuils d’amarrage EMCÉ Winches.

La gestion des treuils est assurée par une armoire de régulation automatique également développée par EMCÉ-ELSTO. Ces quatre treuils présentent une définition technique identique et fonctionnent par paires amont/aval. Ils sont chargés de :

• maintenir une tension identique dans les amarres d’une même paire ;
• repositionner la plateforme à un emplacement prédéfini lors d’une étale de marée haute ou basse, ou après une séquence de mise en sécurité.

Pour assurer une mesure précise de l’effort de tension dans les amarres, chacune d’entre elles est renvoyée sur le treuil opposé par l’intermédiaires de deux poulies de renvoi (voir figure 7). Le capteur de force est positionné sur l’axe de chaque poulie de renvoi supérieure située sur le pont.

En phase d’exploitation - phase de fonctionnement de l’hydrolienne -, les moteurs fonctionnent toujours par paires, amont / aval. En fonction de la situation, une paire est pilotée en mode moteur et l’autre en mode frein (voir figure 6).

La gestion des treuils est séquentielle et se fait à partir de la mesure de l’effort de tension dans les amarres (un capteur de force équipe chaque poulie de renvoi supérieure). Compte tenu des efforts mis en jeu, les treuils ne peuvent pas assurer la remontée de la plateforme face au courant. Lorsqu’une une tension trop faible ou trop importante est détectée dans une amarre, les treuils reprennent ou relâchent indépendamment chaque amarre pour repositionner l’axe longitudinal de la plateforme dans la direction du courant et assurer une tension correcte dans les quatre amarres (comprise entre 0,7 et 5 tonnes).

Le repositionnement de la plateforme suite à une perturbation est donc assuré par le déroulement d’une paire d’amarres et par l’enroulement de la paire opposée (voir figure 6). La plateforme dérive ainsi inévitablement de quelques dizaines de mètres dans le sens du courant à chaque phase de marée (jusant ou flot).

Travail demandé

Objectifs de l’étude 

Les différentes parties du sujet proposent de vérifier plusieurs exigences du cahier des charges partiel de la plateforme de test construit à partir des trois fonctions principales identifiées par le constructeur pour la conception du site d’expérimentation :
• permettre aux turbiniers de communiquer avec la plateforme et l’hydrolienne pour la mesure et la gestion des paramètres d’essai ;
• contrôler le positionnement de la plateforme quelles que soient les conditions extérieures ;
• gérer l’énergie produite par l’hydrolienne.

L’étude est composée de sept parties indépendantes.

• Partie I Mise en situation
• Partie II Stratégies de pilotage et de communication
• Partie III Validation du dimensionnement de la chaîne de puissance assurant le positionnement de la plateforme
• Partie IV Commande et gestion de la chaîne de puissance des treuils d’amarrage
• Partie V Analyse thermique et évolution du local technique
• Partie VI Bilan énergétique du site d’exploitation