Brevet FR3145740A1 — publié le 20240816

Flotteur semi-submersible pour éolienne offshore et procédé de construction d’un tel flotteur L’invention concerne un flotteur (2-1) semi-submersible, notamment pour éolienne offshore, comprenant quatre colonnes dont une colonne centrale (4) destinée à recevoir un mât d’éolienne (6), et au moins trois colonnes extérieures (8) qui sont raccordées à la colonne centrale par des branches formant des pontons inférieurs (10). Le flotteur est dépourvu de branches supérieures raccordant la colonne centrale aux colonnes extérieures et les colonnes extérieures et les pontons inférieurs sont formés chacun par un assemblage de panneaux plans (8 1 à 8 6 , 10 1 à 10 4 ) et présentent chacun une section droite polyédrique. L’invention concerne également un procédé de construction d’un tel flotteur. Figure pour l’abrégé : Fig. 1. flotteur semi-submersible pour éolienne offshore et procédé de construction d’un tel flotteur La présente invention se rapporte au domaine général des flotteurs semi-submersibles utilisés pour les éoliennes offshore. Elle concerne plus précisément une nouvelle architecture de flotteur semi-submersible et un procédé de construction d’un tel flotteur. Une éolienne offshore a pour but d’utiliser l’énergie du vent afin de produire de l’électricité grâce à une turbine et à un générateur électrique. Il existe deux principaux types d’éoliennes offshore : les éoliennes fixes qui sont implantées sur les fonds marins (à de faibles profondeurs typiquement inférieures à 50m), et les éoliennes flottantes qui offrent l’avantage de pouvoir être construites sur terre et implantées dans des zones où la profondeur des fonds marins dépasse typiquement 50m. Les éoliennes flottantes qui sont concernées par la présente invention comprennent une turbine généralement formée par un moteur à plusieurs pales rotatives à axe horizontal et un générateur électrique accouplé au moteur, le moteur et le générateur étant fixés à une extrémité supérieure d’un mât (ou pylône) vertical. L’extrémité inférieure du mât est quant à elle montée sur une structure de support flottant (appelée ci-après flotteur). Il existe plusieurs familles principales de flotteurs pour éolienne offshore : les flotteurs semi-submersibles, les flotteurs immergés avec câbles tendus (ou plateformes « TLP » pour « Tension-Leg Platform » en anglais), les flotteurs de type « SPAR » (pour « Single Point Anchor Reservoir »), les flotteurs semi-submersibles de type « barge », et flotteurs avec un contrepoids pendulaire. L’invention concerne plus précisément les flotteurs semi-submersibles, c’est-à-dire des fondations en acier ou en béton qui se présentent généralement sous la forme d’un trépied avec trois colonnes cylindriques (ou quatre) reliées entre elles par des structures métalliques. La stabilité de la structure est assurée grâce à un système de ballastage qui permet l’immersion d’une partie de la fondation. Cette structure est caractérisée par sa grande taille et son tirant d’eau réduit. On pourra par exemple se référer à la publication FR 3,064,973 qui décrit une structure de flotteur hybride semi-submersible comportant une colonne centrale et trois colonnes extérieures raccordées à la colonne centrale par des branches en forme de ponton. Bien que de conception relative simple, ce flotteur hybride présente l’inconvénient de présenter un temps d’assemblage relativement long et des coûts de fabrication pouvant être élevés. L’invention a donc pour objet de proposer une structure de flotteur semi-submersible qui présente un temps de construction et de livraison extrêmement raccourci pour de faibles coûts. Ce but est atteint grâce à un flotteur semi-submersible, notamment pour éolienne offshore, comprenant quatre colonnes dont une colonne centrale destinée à recevoir un mât d’éolienne, et au moins trois colonnes extérieures qui sont raccordées à la colonne centrale par des branches formant des pontons inférieurs, et dans lequel, conformément à l’invention, il est dépourvu de branches supérieures raccordant la colonne centrale aux colonnes extérieures et les colonnes extérieures et les pontons inférieurs sont formés chacun par un assemblage de panneaux plans et présentent chacun une section droite polyédrique. Le flotteur selon l’invention est remarquable en ce que les principaux éléments qui le composent (colonnes extérieures et pontons inférieurs) résultent d’un assemblage d’une pluralité de panneaux plans, ce qui facilite grandement la fabrication du flotteur. Du fait de cette particularité, les temps de construction et de livraison du flotteur peuvent être grandement réduits du fait d’une chaîne d’approvisionnement plus abondante que celle des colonnes cylindriques à fort diamètre de l’art antérieur (car elle ouvre aux capacités mondiales dans le domaine de la construction navale). Il est ainsi possible de proposer un flotteur robuste et qualifié répondant aux conditions d'exploitation du site d’implantation et aux performances requises avec un rapport coût/performance attractif. Les risques associés sont par ailleurs contenus du fait de la simplicité de construction. De préférence, la colonne centrale est formée par un assemblage de panneaux plans et présente une section droite polyédrique. Cette disposition permet de réduire davantage les temps et coûts de construction du flotteur. La colonne centrale peut avantageusement se terminer par une pièce de transition ayant une forme de tronc de cône s’évasant vers le bas. Alternativement, la colonne centrale peut avantageusement présenter une forme de tronc de cône s’évasant vers le bas. La présence d’un tronc de cône s’évasant vers le bas est particulièrement avantageuse pour la conception globale de l’éolienne. Les colonnes extérieures peuvent présenter une même hauteur et la colonne centrale présente une hauteur différente de celle des colonnes extérieures. De préférence, la colonne centrale comprend une porte d’accès à une tour supportant la turbine de l’éolienne qui se situe en dessous de l’interface avec la tour et des sur-renforts intérieurs de l’interface avec la tour. Cette porte d’accès permet aux opérateurs de pénétrer dans la structure pour accéder aux équipements positionnés à l’intérieur de la tour. Par rapport à l’art antérieur dans lequel la porte d’accès est généralement positionnée quelques mètres au-dessus de l’interface avec la tour, la position de la porte d’accès est ici avantageusement abaissée de plusieurs mètres pour la sortir de la zone des renforts intérieurs de l’interface avec la tour. De préférence également, les panneaux plans formant les colonnes extérieures sont assemblées entre eux par au moins une baguette arrondie de façon à améliorer leur comportement hydrodynamique et à réduire les concentrations de contraintes. Les panneaux plans formant les colonnes extérieures et les pontons inférieurs peuvent avantageusement être renforcés par des raidisseurs internes longitudinaux et/ou des raidisseurs internes transversaux. Les panneaux plans formant les colonnes extérieures et les pontons inférieurs peuvent également être renforcés par des raidisseurs externes longitudinaux et/ou des raidisseurs externes transversaux. Par rapport à des raidisseurs internes, les raidisseurs externes présentent l’avantage de faciliter les opérations de soudage nécessaires à la mise en place de tels raidisseurs. De préférence encore, les colonnes extérieures sont raccordées les unes aux autres par des câbles précontraints. Ces câbles précontraints présentent l’avantage de reprendre une partie des efforts hors plan et ainsi réduire la sollicitation de la structure, donc sa masse. Le flotteur peut comprendre en outre des membrures s’étendant chacune entre la colonne centrale et l’un des pontons inférieurs afin de transférer en partie les charges dans le plan de la colonne centrale vers les pontons inférieurs. De telles membrures peuvent présenter une forme tubulaire ou polyédrique. Les pontons inférieurs peuvent être espacés angulairement les uns des autres de 120° pour former une structure en étoile. L’invention a également pour objet un procédé de construction modulaire d’un flotteur tel que défini précédemment, comprenant : l’assemblage de panneaux plans entre eux pour former, d’une part les pontons inférieurs et, d’autre part les colonnes extérieures l’assemblage des pontons inférieurs à une structure centrale à branches de support de la colonne centrale l’assemblage des colonnes extérieures sur les branches inférieures, et l’assemblage de la colonne centrale sur la structure centrale à branches. L’assemblage des pontons inférieurs sur la structure centrale à branches peut être réalisé par soudures. Dans ce cas, les soudures d’assemblage des pontons inférieurs sur la structure centrale à branches sont avantageusement externes avec le recours à des raidisseurs externes connectés par soudures de façon à faciliter leur mise en place. Alternativement, l’assemblage des pontons inférieurs sur la structure centrale à branches peut être réalisé par l’intermédiaire de connecteurs mécaniques. Par ailleurs, l’assemblage des pontons inférieurs sur la structure centrale à branches peut être réalisé en mer sur une barge flottante. Alternativement encore, l’assemblage des pontons inférieurs sur la structure centrale à branches peut être réalisé en mer à flot. La est une vue en perspective d’un flotteur selon un premier mode de réalisation de l’invention. La est une vue en perspective d’un flotteur selon un deuxième mode de réalisation de l’invention. La est une vue en perspective d’un flotteur selon un troisième mode de réalisation de l’invention. La est une vue en perspective d’un flotteur selon un quatrième mode de réalisation de l’invention. La est une vue en perspective d’un flotteur selon un cinquième mode de réalisation de l’invention. La représente en perspective un flotteur selon un sixième mode de réalisation de l’invention. La représente en perspective un flotteur selon un septième mode de réalisation de l’invention. La représente en perspective un flotteur selon un huitième mode de réalisation de l’invention. La montre la présence de raidisseurs internes équipant une colonne extérieure et un ponton inférieur d’un flotteur selon l’invention. La montre la présence de raidisseurs externes équipant les pontons inférieurs d’un flotteur selon l’invention. à La , la et la montrent différentes variantes d’un procédé de construction d’un flotteur selon l’invention. La représente en perspective un flotteur semi-submersible 2-1 pour éolienne offshore selon un premier mode de réalisation de l’invention. Le flotteur 2-1 comprend quatre colonnes dont : une colonne centrale 4 destinée à recevoir un mât d’éolienne 6 ; et trois colonnes extérieures 8 qui sont raccordées à la colonne centrale 4 par des branches formant des pontons inférieurs 10. Plus précisément, les pontons inférieurs 10 et les colonnes extérieures 8 sont espacés angulairement les uns des autres de 120° pour former une structure en étoile. Le flotteur 2-1 selon l’invention présente la caractéristique d’être dépourvu de branches supérieures raccordant la colonne centrale 4 aux colonnes extérieures 8. De plus, au moins les colonnes extérieures 8 et les pontons inférieurs 10 sont formés chacun par un assemblage de panneaux plans et présentent chacun une section droite polyédrique. Ainsi, dans le premier mode de réalisation illustré par la , chaque colonne extérieure 8 est constituée par l’assemblage de six panneaux plans 8 1 à 8 6 formant un prisme droit à base hexagonale, et chaque ponton inférieur 10 est constitué par l’assemblage de quatre panneaux plans 10 1 à 10 4 formant un parallélépipède rectangle (seuls les panneaux plans 10 1 et 10 4 sont visibles sur la ). Bien entendu, le polyèdre constitué par l’assemblage des panneaux plans des colonnes extérieures et des pontons inférieurs pourrait être différent : parallélépipède rectangle, prisme droit à base pentagonale, etc. De plus, selon une disposition avantageuse de l’invention, la colonne centrale 4 est également formée par un assemblage de panneaux plans et présente ainsi une section droite polyédrique. Par ailleurs, toujours dans ce premier mode de réalisation, les pontons inférieurs 10 du flotteur se raccordent chacun à une colonne extérieure 8 au niveau d’une même face de celle-ci (à savoir au niveau du panneau plan 8 3 sur la ). De même, les pontons inférieurs 10 se raccordent également au niveau d’une même face de la colonne centrale 4. La représente en perspective un flotteur semi-submersible 2-2 pour éolienne offshore selon un deuxième mode de réalisation de l’invention. Ce flotteur 2-2 se distingue de celui du premier mode de réalisation en ce que les pontons inférieurs 10 du flotteur se raccordent chacun à une colonne extérieure 8 au niveau de deux faces adjacentes de celle-ci (à savoir au niveau du panneau plan 8 3 sur la ). Au contraire, comme pour le premier mode de réalisation, les pontons inférieurs 10 se raccordent également au niveau d’une même face de la colonne centrale 4. La représente en perspective un flotteur semi-submersible 2-3 pour éolienne offshore selon un troisième mode de réalisation de l’invention. Ce flotteur 2-3 se distingue de celui du deuxième mode de réalisation en ce que les panneaux plans 8 1 à 8 6 formant les colonnes extérieures 8 sont assemblées entre eux par des baguettes arrondies 12 de façon à améliorer leur comportement hydrodynamique et à réduire les concentrations de contraintes. De plus, on notera que dans chacun des modes de réalisation des figures 1 à 3, la colonne centrale 4 se termine (au niveau de son extrémité supérieure) par une pièce de transition 14 avec le mât d’éolienne 6 qui présente une forme cylindrique. D’autres formes sont envisageables. Ainsi, dans le quatrième mode de réalisation représenté par la , le flotteur semi-submersible 2-4 se distingue de celui du deuxième mode de réalisation en ce que la pièce de transition 14’ entre la colonne centrale 4 et le mât d’éolienne 6 présente une forme de tronc de cône s’évasant vers le bas de façon à limiter en hauteur la zone de transition entre la colonne centrale et le mât d’éolienne. Dans le cinquième mode de réalisation représenté par la , la colonne centrale 4 du flotteur semi-submersible 2-5 présente une forme de tronc de cône s’évasant vers le bas. Dans le sixième mode de réalisation représenté par la , la colonne centrale 4 du flotteur semi-submersible 2-6 présente une forme de cylindre. La représente en perspective un flotteur semi-submersible 2-7 pour éolienne offshore selon un septième mode de réalisation de l’invention. Le flotteur 2-7 se distingue de celui du deuxième mode de réalisation en ce qu’il comprend en outre des membrures 16 s’étendant chacune entre la colonne centrale 4 et l’un des pontons inférieurs 10 afin de transférer en partie les charges dans le plan de la colonne centrale vers les pontons inférieurs. Ainsi, la présence de ces membrures 16 permet de réduire la hauteur des pontons inférieurs 10. De plus, le tirant d'eau du flotteur en opération peut être réduit, ce qui permet de réduire les renforts pour la résistance à la pression d'immersion. Comme représenté sur la , ces membrures 16 peuvent présenter une forme tubulaire. Alternativement, ils pourraient présenter une forme polyédrique. La représente en perspective un flotteur semi-submersible 2-8 pour éolienne offshore selon un huitième mode de réalisation de l’invention. Le flotteur 2-8 se distingue de celui du deuxième mode de réalisation en ce que les colonnes extérieures 8 sont raccordées les unes aux autres par des câbles précontraints 18. Plus précisément, ces câbles précontraints 18 sont fixés sur des panneaux plans des colonnes extérieures. La présence de ces câbles permet de réduire la largeur des pontons inférieurs 10 grâce aux charges de moment hors plan transférées aux câbles. Il en résulte un poids du flotteur qui est diminué. La sensibilité aux vagues peut également être réduite, et donc les charges, ce qui permet de diminuer les renforts structurels. De plus, le temps de montage du flotteur est réduit car la dimension de la connexion des pontons inférieurs est réduite. La charge de précontrainte des câbles 18 est définie dans le but qu’ils restent en tension pendant toute la durée de vie du flotteur. Bien entendu, il est possible d’envisager que le flotteur présente à la fois des membrures comme illustré par la et des câbles précontraints comme illustré par la . Selon une disposition avantageuse représentée notamment sur la , les colonnes extérieures 8 du flotteur selon l’invention peuvent être renforcés par des raidisseurs internes longitudinaux 20a et/ou des raidisseurs internes transversaux 20b. De même, les pontons inférieurs 10 du flotteur peuvent être renforcés par des raidisseurs internes longitudinaux 22a et/ou des raidisseurs internes transversaux 22b. Alternativement, ou en supplément, les colonnes extérieures 8 du flotteur selon l’invention peuvent être renforcées par des raidisseurs externes longitudinaux et/ou des raidisseurs externes transversaux. De même, comme représenté sur la , les pontons inférieurs 10 du flotteur peuvent être renforcés par des raidisseurs externes longitudinaux 24a et/ou des raidisseurs externes transversaux 24b. De préférence, comme représenté sur les figures 1 à 8, les colonnes extérieures 8 du flotteur présentent une même hauteur et la colonne centrale 4 présente une hauteur différente de celle des colonnes extérieures. De façon avantageuse, comme représenté sur la , la colonne centrale 4 du flotteur selon l’invention comprend une porte d’accès 28 à une tour supportant la turbine de l’éolienne qui se situe en dessous de l’interface avec la tour et des sur-renforts intérieurs de l’interface avec la tour. Cette nouvelle position de la porte entraine l’abaissement de la plateforme extérieure et un raccourcissement de l’échelle d’accès du personnel de maintenance depuis les navires de soutien. En liaison avec les figures 11 à 13, on décrira maintenant un procédé de construction modulaire d’un flotteur selon l’invention. De manière générale, ce procédé comprend l’assemblage de panneaux plans entre eux pour former, d’une part les pontons inférieurs et, d’autre part les colonnes extérieures. Les pontons inférieurs ainsi formés sont ensuite assemblés à une structure centrale à branches de support de la colonne centrale. De même, les colonnes extérieures ainsi formées sont assemblées sur les branches inférieures. Enfin, la colonne centrale peut être assemblée sur la structure centrale à branches. Différentes variantes peuvent être déclinées. Ainsi, sur la variante représentée par la , quatre blocs sont assemblés entre eux, à savoir : trois blocs externes B identiques qui sont constitués chacun par l’assemblage d’une colonne extérieure 8 sur un ponton inférieur 10, et un bloc central C qui est formé par l’assemblage de la colonne centrale 4 sur une structure centrale à branches 30 de support de la colonne centrale. Les trois blocs externes B sont ensuite assemblés sur le bloc central C par soudures. Cette variante permet d’éviter de réaliser des soudures dans des zones sensibles en termes de fatigue. Afin de limiter les contraintes de fatigue liées aux soudures, la structure centrale à branches 30 est dimensionnée de façon à espacer les zones de soudures de la colonne centrale. Sur la variante représentée par la , trois blocs sont assemblés entre eux, à savoir : deux blocs externes B identiques qui sont constitués chacun par l’assemblage d’une colonne extérieure 8 sur un ponton inférieur 10, et un bloc principal D qui est formé par l’assemblage de la colonne centrale 4 sur une structure centrale à branches 32 comprenant un ponton inférieur et une colonne extérieure. Les deux blocs externes B sont ensuite assemblés sur le bloc principal D par soudures. Par rapport à la précédente, cette variante permet de limiter le nombre de connexions et donc de réduire la durée de la phase d’assemblage final. Elle permet également d’éviter de réaliser des soudures dans des zones sensibles en termes de fatigue. Sur la variante représentée par la , seulement deux blocs sont assemblés entre eux, à savoir : un bloc externe B qui est constitué par l’assemblage d’une colonne extérieure 8 sur un ponton inférieur 10, et un bloc principal D’ qui est formé par l’assemblage de la colonne centrale 4 sur une structure centrale à branches 34 comprenant deux pontons inférieurs sur chacun desquels sont assemblés une colonne extérieure. Le bloc externe B est assemblé sur le bloc principal D’ par soudures. Par rapport à la précédente, cette variante permet de davantage limiter le nombre de connexions. Elle permet également d’éviter de réaliser des soudures dans des zones sensibles en termes de fatigue. On notera que les soudures d’assemblage des pontons inférieurs des blocs externes sur ces différentes structures centrales à branches peuvent être externes avec le recours à des raidisseurs externes. On notera également qu’en alternative à des soudures, l’assemblage des pontons inférieurs des blocs externes sur ces différentes structures centrales à branches peut être réalisé par l’intermédiaire de connecteurs mécaniques. De même, ces assemblages peuvent être réalisés en mer sur une barge flottante ou bien en mer à flot. Flotteur (2-1 à 2-8) semi-submersible, notamment pour éolienne offshore, comprenant quatre colonnes dont une colonne centrale (4) destinée à recevoir un mât d’éolienne (6), et au moins trois colonnes extérieures (8) qui sont raccordées à la colonne centrale par des branches formant des pontons inférieurs (10), caractérisé en ce qu’il est dépourvu de branches supérieures raccordant la colonne centrale aux colonnes extérieures et en ce que les colonnes extérieures et les pontons inférieurs sont formés chacun par un assemblage de panneaux plans (8 1 à 8 6 , 10 1 à 10 4 ) et présentent chacun une section droite polyédrique. Flotteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la colonne centrale (4) présente une forme de tronc de cône s’évasant vers le bas. Flotteur (2-4) selon l’une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la colonne centrale (4) se termine par une pièce de transition (14’) ayant une forme de tronc de cône s’évasant vers le bas. Flotteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la colonne centrale (4) présente une forme de tronc de cône s’évasant vers le bas. Flotteur selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les colonnes extérieures (8) présentent une même hauteur et la colonne centrale (4) présente une hauteur différente de celle des colonnes extérieures. Flotteur selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la colonne centrale (4) comprend une porte d’accès (28) à une tour supportant la turbine de l’éolienne qui se situe en dessous de l’interface avec la tour et des sur-renforts intérieurs de l’interface avec la tour. Flotteur (2-3) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les panneaux plans (8 1 à 8 6 ) formant les colonnes extérieures (8) sont assemblées entre eux par au moins une baguette arrondie (12) de façon à améliorer leur comportement hydrodynamique et à réduire les concentrations de contraintes. Flotteur selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les panneaux plans formant les colonnes extérieures (8) et les pontons inférieurs (10) sont renforcés par des raidisseurs internes longitudinaux (20a, 22a) et/ou des raidisseurs internes transversaux (20b, 22b). Flotteur selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les panneaux plans formant les colonnes extérieures (8) et les pontons inférieurs (10) sont renforcés par des raidisseurs externes longitudinaux (24a) et/ou des raidisseurs externes transversaux (24b). Flotteur (2-6) selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les colonnes extérieures (8) sont raccordées les unes aux autres par des câbles précontraints (18). Flotteur (2-5) selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu’il comprend en outre des membrures (16) s’étendant chacune entre la colonne centrale (4) et l’un des pontons inférieurs (10) afin de transférer en partie les charges dans le plan de la colonne centrale vers les pontons inférieurs. Flotteur selon la revendication 11, caractérisé en ce que les membrures (16) présentent une forme tubulaire ou polyédrique. Flotteur selon l’une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que les pontons inférieurs (10) sont espacés angulairement les uns des autres de 120° pour former une structure en étoile. Procédé de construction modulaire d’un flotteur selon l’une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce qu’il comprend : l’assemblage de panneaux plans entre eux pour former, d’une part les pontons inférieurs (10) et, d’autre part les colonnes extérieures (4), l’assemblage des pontons inférieurs à une structure centrale à branches (30-34) de support de la colonne centrale, l’assemblage des colonnes extérieures sur les pontons inférieurs, et l’assemblage de la colonne centrale (4) sur la structure centrale à branches. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que l’assemblage des pontons inférieurs sur la structure centrale à branches est réalisé par soudures. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que les soudures d’assemblage des pontons inférieurs sur la structure centrale à branches sont externes avec le recours à des raidisseurs externes connectés par soudures. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que l’assemblage des pontons inférieurs sur la structure centrale à branches est réalisé par l’intermédiaire de connecteurs mécaniques. Procédé selon l’une quelconque des revendications 14 à 16, caractérisé en ce que l’assemblage des pontons inférieurs sur la structure centrale à branches est réalisé en mer sur une barge flottante. Procédé selon l’une quelconque des revendications 14 à 16, caractérisé en ce que l’assemblage des pontons inférieurs sur la structure centrale à branches est réalisé en mer à flot.