Brevet FR3153593A1 — publié le 20250404

Procédé de ballastage actif et individualisé d’un flotteur semi-submersible pour éolienne offshore et flotteur L’invention concerne un procédé de ballastage actif et individualisé d’un flotteur semi-submersible (2) pour éolienne offshore, le flotteur comprenant au moins quatre colonnes dont une colonne centrale (4) et trois colonnes extérieures (6) raccordées à la colonne centrale par des branches inférieures formant des pontons (8), le procédé comprenant, pour chaque ponton, le déplacement individualisé et contrôlé d’un fluide de ballastage entre au moins deux compartiments (14, 16) étanches et distincts situés à l’intérieur d’un ensemble formé par le ponton et la colonne extérieure qui lui est associée de façon à pouvoir modifier l’inclinaison du flotteur. L’invention concerne également un flotteur semi-submersible pour éolienne offshore à ballastage actif et individualisé. Figure pour l’abrégé : Fig. 1. Procédé de ballastage actif et individualisé d’un flotteur semi-submersible pour éolienne offshore et flotteur La présente invention se rapporte au domaine général des flotteurs semi-submersibles utilisés pour les éoliennes offshore. Elle concerne plus précisément un procédé de ballastage d’un tel flotteur, ainsi qu’un flotteur semi-submersible pour éolienne offshore à ballastage actif et individualisé. 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. On pourra également se référer aux publications FR 2,079,204 et WO 2018/197644 qui décrivent des structures de flotteur semi-submersible équipées de système de ballastage passif. Ces types de flotteurs présentent l’avantage d’être de conception simple. Cependant, ces flotteurs sont dépourvus de système de ballastage actif. L'objectif général du ballastage actif est de déplacer des quantités de fluide depuis et vers différents compartiments étanches du flotteur afin de corriger l'inclinaison du flotteur pendant les phases d'exploitation. Ceci permet de limiter l'inclinaison du mât supportant la turbine afin de pouvoir augmenter la production d’énergie et de réduire les charges dues à l’inclinaison du mât. Il existe donc un besoin de pouvoir disposer d’un flotteur semi-submersible équipé d’un ballastage actif. Conformément à l’invention, ce but est atteint grâce à un procédé de ballastage actif et individualisé d’un flotteur semi-submersible pour éolienne offshore, le flotteur comprenant au moins quatre colonnes dont une colonne centrale et trois colonnes extérieures raccordées à la colonne centrale par des branches inférieures formant des pontons, le procédé comprenant, pour chaque ponton, le déplacement individualisé et contrôlé d’un fluide de ballastage entre au moins deux compartiments étanches et distincts situés à l’intérieur d’un ensemble formé par le ponton et la colonne extérieure qui lui est associée de façon à pouvoir modifier l’inclinaison du flotteur. Le procédé de ballastage actif selon l’invention permet de réduire le poids total du flotteur en diminuant les charges de fatigue. Il permet également de réduire les dimensions totales du flotteur, ce qui facilite l'accès à certains ports et moyens de transport à sec. Le procédé selon l’invention permet également d'augmenter la production d'énergie de la turbine en réduisant l'inclinaison du mât qui la supporte. Pour chaque ponton, le déplacement contrôlé du fluide de ballastage peut être réalisé entre un compartiment situé à l’intérieur d’une extrémité longitudinale du ponton côté colonne extérieure et un autre compartiment situé à l’intérieur d’une extrémité longitudinale opposée du ponton côté colonne centrale. Alternativement, pour chaque ponton, le déplacement contrôlé du fluide de ballastage peut être réalisé entre un compartiment situé à l’intérieur de la colonne extérieure qui lui est associée en partie basse de celle-ci et un autre compartiment situé à l’intérieur d’une extrémité longitudinale du ponton côté colonne centrale. Dans un mode de réalisation, le procédé comprend en outre, pour chaque ponton, le déplacement individualisé et contrôlé d’un fluide de ballastage entre un compartiment étanche situé à l’intérieur d’une extrémité longitudinale du ponton côté colonne centrale et un compartiment étanche formé au niveau d’une plaque d’amortissement positionnée autour d’au moins une partie de la colonne extérieure qui lui est associée. L’invention a également pour objet un flotteur semi-submersible pour éolienne offshore à ballastage actif et individualisé, comprenant au moins quatre colonnes dont une colonne centrale et trois colonnes extérieures raccordées à la colonne centrale par des branches inférieures formant des pontons, chaque ensemble formé par un ponton et la colonne extérieure qui lui est associée comprenant au moins deux compartiments étanches et distincts formant zone de ballast, le flotteur comprenant en outre des moyens pour déplacer de façon contrôlée et individualisée un fluide de ballastage entre les deux compartiments de chaque ensemble de façon à pouvoir modifier l’inclinaison du flotteur. Le flotteur peut comprendre, pour chaque ensemble, un compartiment situé à l’intérieur d’une extrémité longitudinale du ponton côté colonne extérieure et un autre compartiment situé à l’intérieur d’une extrémité longitudinale opposée du ponton côté colonne centrale, les compartiments étant reliés entre eux par au moins une canalisation couplée à un réseau de pompes. Alternativement, le flotteur peut comprendre, pour chaque ensemble, un compartiment situé à l’intérieur de la colonne extérieure qui lui est associée en partie basse de celle-ci et un autre compartiment situé à l’intérieur d’une extrémité longitudinale du ponton côté colonne centrale, les compartiments étant reliés entre eux par au moins une canalisation couplée à un réseau de pompes. Dans un mode de réalisation, le flotteur comprend en outre, pour chaque ponton, un compartiment situé à l’intérieur d’une extrémité longitudinale du ponton côté colonne centrale et un autre compartiment étanche formé au niveau d’au moins une plaque d’amortissement positionnée autour d’au moins une partie de la colonne extérieure qui lui est associée, les compartiments étant reliés entre eux par au moins une canalisation couplée à un réseau de pompes. Les pontons du flotteur sont avantageusement formés chacun par un assemblage de panneaux plans et présentent chacun une section droite polyédrique. Dans ce cas, les colonnes extérieures peuvent être chacune une forme cylindrique. Alternativement, les colonnes extérieures peuvent être formées chacune par un assemblage de panneaux plans et présentent chacune une section droite polyédrique. De préférence, les panneaux plans de chaque ponton sont assemblés entre eux au niveau d’arêtes qui s’étendent longitudinalement entre deux colonnes et qui sont arrondies en se raccordant à chacune de leurs extrémités longitudinales à une colonne par l’intermédiaire d’une pièce de transition. La colonne centrale du flotteur peut présenter une forme tronconique. Alternativement, la colonne centrale peut présenter une forme polyédrique. L’invention a encore pour objet une éolienne offshore comprenant un flotteur tel que défini précédemment. FIG. 1 La FIG. 1 représente en perspective un flotteur semi-submersible selon un mode de réalisation de l’invention. FIG. 2 La FIG. 2 est une vue de la FIG. 1 dans le plan de coupe II. FIG. 3 La FIG. 3 est une vue en perspective de la FIG. 2 . FIG. 4 La FIG. 4 est une vue en coupe dans un plan horizontal du flotteur de la FIG. 1 . FIG. 5 La FIG. 5 est une vue en coupe dans le sens de la hauteur d’un flotteur semi-submersible selon un autre mode de réalisation de l’invention. FIG. 6 La FIG. 6 une vue en coupe dans le sens dans un plan horizontal d’un flotteur semi-submersible selon encore un autre mode de réalisation de l’invention. La FIG. 1 représente en perspective un flotteur semi-submersible 2 pour éolienne offshore selon un premier mode de réalisation de l’invention. Dans ce mode de réalisation, le flotteur 2 comprend quatre colonnes verticales dont une colonne centrale 4 destinée à recevoir un mât d’éolienne (non représenté sur la FIG. 1 ), et trois colonnes extérieures 6 qui sont raccordées à la colonne centrale 4 par des branches formant des pontons inférieurs 8. Plus précisément, les pontons inférieurs 8 et les colonnes extérieures 6 sont espacés angulairement les uns des autres de 120° pour former une structure en étoile. Par ailleurs, au moins les pontons formés par une pluralité de panneaux plans qui sont assemblés entre eux. Plus précisément, dans le mode de réalisation de la FIG. 1 , chaque ponton inférieur 8 est constitué par l’assemblage de quatre panneaux plans 8 1 à 8 4 formant un parallélépipède rectangle (seuls les panneaux plans 8 1 et 8 4 sont visibles sur la FIG. 1 ). Bien entendu, il est possible d’envisager que le nombre de panneaux plans formant chaque ponton soit différent (par exemple au nombre de cinq, six, etc.). De préférence, les panneaux plans de chaque ponton sont assemblés entre eux au niveau d’arêtes 10 qui s’étendent longitudinalement entre deux colonnes et qui sont arrondies en se raccordant à chacune de leurs extrémités longitudinales à une colonne par l’intermédiaire d’une pièce de transition 12. Les arêtes arrondies 10 des pontons se raccordent à chacune de leurs deux extrémités longitudinales à une colonne verticale du flotteur par l’intermédiaire d’une pièce de transition 12 permettant de passer d’une forme de quart de cercle à une forme à angle droit. On notera que dans le mode de réalisation de la FIG. 1 , les colonnes extérieures 6 du flotteur 2 présentent chacune une forme sensiblement cylindrique. Bien entendu, l’invention s’applique également aux flotteurs dont les colonnes extérieures sont chacune formées par un assemblage de panneaux plans afin de présenter une forme de polyèdre (on pourra se référer à la demande de brevet FR 23 01328 déposée le 13 février 2023 par la Demanderesse). On notera également que dans le mode de réalisation de la FIG. 1 , la colonne centrale 4 du flotteur 2 recevant le mât d’éolienne présente une forme de tronc de cône s’évasant vers le bas. Bien entendu, l’invention s’applique également aux flotteurs dont la colonne centrale présente une forme cylindrique. De plus, dans le mode de réalisation de l’invention représenté sur les figures 2 à 4, chaque ponton 8 du flotteur renferme un compartiment interne étanche 14 formant zone de ballast qui est situé à l’intérieur d’une extrémité longitudinale du ponton côté colonne extérieure 6. Chaque ponton comprend en outre un autre compartiment interne étanche 16 formant zone de ballast qui est situé à l’intérieur d’une extrémité longitudinale opposée du ponton côté colonne centrale 4. Ces deux compartiments 14, 16 sont reliés entre eux par au moins une canalisation 18 couplée à un réseau de pompes 20 positionné à l’intérieur du ponton. Par ailleurs, comme représenté sur les figures 2 et 3, ces compartiments 14, 16 peuvent s’étendre sur toute la largeur et toute la hauteur des pontons 8 et sont délimités longitudinalement par deux cloisons étanches 14a, 16a. Un système de contrôle (non représenté sur les figures) permet de piloter individuellement les pompes 20 afin de déplacer du fluide de ballastage (typiquement de l’eau, et en particulier de l’eau de mer) entre les deux compartiments 14, 16 de chaque ponton 8 du flotteur de façon à corriger l’inclinaison du flotteur pendant les phases d’exploitation (typiquement de l’ordre de 0 à 3°). Pour obtenir une telle correction de l’inclinaison du flotteur, il est généralement nécessaire de déplacer entre 100 et 500 tonnes de fluide de ballastage entre les différents compartiments du flotteur. La FIG. 5 représente un autre mode de réalisation de l’invention dans lequel le flotteur 2’ comprend en outre (par rapport au flotteur du mode de réalisation des figures 1 à 4) des plaques d’amortissement hydrodynamique 22 qui sont positionnées autour d’au moins une partie des colonnes extérieures 6 au niveau de la partie basse de celles-ci. Ces plaques d’amortissement hydrodynamique 22 sont également connues sous le terme anglais de « HEAVE PLATES » et sont utilisés pour amortir les mouvements du flotteur sous l’effet de la houle et du vent. Ces plaques permettent en effet d’augmenter la masse ajoutée du flotteur et la trainée de celui-ci, pour repousser les périodes propres du flotteur le plus loin possible des périodes des vagues, afin de limiter l’excitation du flotteur et d’amortir au maximum les mouvements de celui-ci. Dans le mode de réalisation de la FIG. 5 , il est prévu de positionner deux plaques d’amortissement hydrodynamique 22 autour de chaque colonne extérieure 6 du flotteur. Pour chaque colonne extérieure, les deux plaques 22 sont symétriques par rapport à un plan vertical P de symétrie du ponton 8. Bien entendu, il est possible d’envisager d’autres formes et positionnement de ces plaques d’amortissement hydrodynamique. Par exemple, elles pourraient prendre la forme d’un disque disposé sous chaque colonne extérieure du flotteur. Toujours dans ce mode de réalisation, les plaques d’amortissement hydrodynamique 22 renferment chacune un compartiment étanche 24 qui forme zone additionnel de ballast et qui est reliée au compartiment étanche 16 situé à l’intérieur de l’extrémité longitudinale du ponton 8 côté colonne centrale 4 par l’intermédiaire d’un réseau de canalisations additionnelles 26 couplé au réseau de pompes 20. Ainsi, dans ce mode de réalisation, le pilotage de l’inclinaison du flotteur 2’ s’effectue de façon individuelle au niveau de chaque ponton en déplaçant le fluide de ballastage entre les compartiments 14, 16 du ponton mais également en déplaçant un fluide de ballastage entre les compartiments 24 des plaques d’amortissement hydrodynamique 22 et le compartiment 16 du ponton situé côté colonne centrale. La FIG. 6 représente encore un autre mode de réalisation d’un flotteur 2’’ selon l’invention. Dans cet autre mode de réalisation, pour chaque ensemble formé par un ponton 8 et la colonne extérieure 6 qui lui est associée, un compartiment étanche 28 est positionné à l’intérieur de la colonne extérieure en partie basse de celle-ci et un autre compartiment 16 est positionné à l’intérieur d’une extrémité longitudinale du ponton côté colonne centrale 4. Ces deux compartiments 16, 26 sont reliés entre eux par une canalisation 18 couplée à un réseau de pompes 20. Ainsi, dans ce mode de réalisation, le pilotage de l’inclinaison du flotteur 2’’ s’effectue de façon individuelle au niveau de chaque ensemble formé par un ponton 8 et la colonne extérieure 6 qui lui est associée en déplaçant le fluide de ballastage entre les compartiments 16 et 26. On notera qu’une variante de ce mode de réalisation peut être envisagée en ajoutant des compartiments étanches dans des plaques d’amortissement hydrodynamique positionnées autour d’au moins une partie des colonnes extérieures, ces compartiments étant reliés aux compartiments 16 des pontons (comme cela est décrit en liaison avec la FIG. 5 ). Procédé de ballastage actif et individualisé d’un flotteur semi-submersible (2 ; 2’ ; 2’’) pour éolienne offshore, le flotteur comprenant au moins quatre colonnes dont une colonne centrale (4) et trois colonnes extérieures (6) raccordées à la colonne centrale par des branches inférieures formant des pontons (8), le procédé comprenant, pour chaque ponton, le déplacement individualisé et contrôlé d’un fluide de ballastage entre au moins deux compartiments (14, 16) étanches et distincts situés à l’intérieur d’un ensemble formé par le ponton et la colonne extérieure qui lui est associée de façon à pouvoir modifier l’inclinaison du flotteur. Procédé selon la revendication 1, dans lequel, pour chaque ponton (8), le déplacement contrôlé du fluide de ballastage est réalisé entre un compartiment (14) situé à l’intérieur d’une extrémité longitudinale du ponton côté colonne extérieure (6) et un autre compartiment (16) situé à l’intérieur d’une extrémité longitudinale opposée du ponton côté colonne centrale (4). Procédé selon la revendication 1, dans lequel, pour chaque ponton (8), le déplacement contrôlé du fluide de ballastage est réalisé entre un compartiment (18) situé à l’intérieur de la colonne extérieure (6) qui lui est associée en partie basse de celle-ci et un autre compartiment (16) situé à l’intérieur d’une extrémité longitudinale du ponton côté colonne centrale (4). Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant en outre, pour chaque ponton (8), le déplacement individualisé et contrôlé d’un fluide de ballastage entre un compartiment (16) étanche situé à l’intérieur d’une extrémité longitudinale du ponton côté colonne centrale (4) et un compartiment (24) étanche formé au niveau d’une plaque d’amortissement (22) positionnée autour d’au moins une partie de la colonne extérieure (6) qui lui est associée. Flotteur semi-submersible (2 ; 2’ ; 2’’) pour éolienne offshore à ballastage actif et individualisé, comprenant au moins quatre colonnes dont une colonne centrale (4) et trois colonnes extérieures (6) raccordées à la colonne centrale par des branches inférieures formant des pontons (8), chaque ensemble formé par un ponton et la colonne extérieure qui lui est associée comprenant au moins deux compartiments (14, 16) étanches et distincts formant zone de ballast, le flotteur comprenant en outre des moyens (18, 20) pour déplacer de façon contrôlée et individualisée un fluide de ballastage entre les deux compartiments de chaque ensemble de façon à pouvoir modifier l’inclinaison du flotteur. Flotteur selon la revendication 5, comprenant, pour chaque ensemble, un compartiment (14) situé à l’intérieur d’une extrémité longitudinale du ponton (8) côté colonne extérieure (6) et un autre compartiment (16) situé à l’intérieur d’une extrémité longitudinale opposée du ponton côté colonne centrale (4), les compartiments étant reliés entre eux par au moins une canalisation (18) couplée à un réseau de pompes (20). Flotteur selon la revendication 5, comprenant, pour chaque ensemble, un compartiment (28) situé à l’intérieur de la colonne extérieure (6) qui lui est associée en partie basse de celle-ci et un autre compartiment (16) situé à l’intérieur d’une extrémité longitudinale du ponton (8) côté colonne centrale (4), les compartiments étant reliés entre eux par au moins une canalisation (18) couplée à un réseau de pompes (20). Flotteur selon l’une quelconque des revendications 5 à 7, comprenant en outre, pour chaque ponton (8), un compartiment (16) étanche situé à l’intérieur d’une extrémité longitudinale du ponton côté colonne centrale (4) et un autre compartiment (24) étanche formé au niveau d’au moins une plaque d’amortissement (22) positionnée autour d’au moins une partie de la colonne extérieure (6) qui lui est associée, les compartiments étant reliés entre eux par au moins une canalisation (26) couplée à un réseau de pompes (20). Flotteur selon l’une quelconque des revendications 5 à 8, dans lequel les pontons (8) sont formés chacun par un assemblage de panneaux plans (8 1 à 8 4 ) et présentent chacun une section droite polyédrique. Flotteur selon la revendication 9, dans lequel les colonnes extérieures (6) présentent chacune une forme cylindrique. Flotteur selon la revendication 9, dans lequel les colonnes extérieures (6) sont formés chacune par un assemblage de panneaux plans et présentent chacune une section droite polyédrique. Flotteur selon l’une quelconque des revendications 9 à 11, dans lequel les panneaux plans (8 1 à 8 4 ) de chaque ponton (8) sont assemblés entre eux au niveau d’arêtes (10) qui s’étendent longitudinalement entre deux colonnes et qui sont arrondies en se raccordant à chacune de leurs extrémités longitudinales à une colonne par l’intermédiaire d’une pièce de transition (12). Flotteur selon l’une quelconque des revendications 5 à 11, dans lequel la colonne centrale (4) présente une forme tronconique. Flotteur selon l’une quelconque des revendications 5 à 11, dans lequel la colonne centrale (4) présente une forme polyédrique. Eolienne offshore comprenant un flotteur selon l’une quelconque des revendications 5 à 14.