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CEA TECH-IFSTTAR 2015-2018

L’énergie électrique est au cœur d’enjeux écologiques, stratégiques et économiques à notre époque. Les déclarations politiques à répétition ne cessent de vanter les mérites d’un approvisionnement sûr, propre et durable en énergie, guidant le développement de nouvelles ressources alternatives à celles conventionnellement utilisée pour la production d’électricité.

 

L’energie éolienne fait partie des ressources alternatives qui connaissent la croissance la plus rapide. Une partie de sa production se situe en territoires marins. Cette production s’organise au sein de sites appelés fermes éoliennes offshores. Les coûts d’investissement et de maintenance des fermes éoliennes en mer sont par contre très élevés. Une défaillance peut entraîner des pertes colossales dues à l’arrêt de la production. L’accès et l’intervention en milieu marin pour des opérations de maintenance nécessitent l’usage d’équipements spécifiques (bateaux, hélicoptères), d’ouvriers hautement qualifiés, ainsi que des conditions météorologiques favorables. La combinaison de ces facteurs résulte en un temps de réparation et de restitution de service assez long. Cela joue en défaveur de la rentabilité économique de la ressource énergétique de l’éolien en mer.

 Les câbles sous-marins de transport d’énergie électrique pour fermes éoliennes offshores sont parmi les composants dont la maintenance est un défi majeur. Ces câbles constituent une pièce maitresse du réseau électrique de distribution et de transmission. Ce réseau permet de collecter et d’acheminer l’énergie produite par les éoliennes jusqu’aux rivages. Pendant cet acheminent, Les câbles d’énergie sous-marins sont soumis à des environnements agressifs (contraintes mécaniques et/ou chimiques, etc.) pouvant détériorer leur état, diminuer et/ou annuler leurs performances. Il est donc important de pouvoir en suivre l'évolution et détecter des indices de dégradation (ponctuels et/ou globaux).

 Des méthodes de diagnostics des câbles électriques fondées sur la réflectométrie existent et permettent la détection et la localisation de défauts, mais l'analyse des signaux mesurés doit-être améliorée, notamment par l'utilisation de modèles. Le lien entre la dégradation physique du câble et les valeurs des paramètres électriques n'a, à notre connaissance, jamais encore été réalisé. En conséquence, nous ne sommes pas en mesure de connaître l’état réel du câble dans son environnement naturel d’évolution, encore moins sa durée de vie résiduelle.

Les travaux menés dans ce projet visent à étudier le comportement mécanique sous environnements quasi-statiques et en fatigue cyclique afin de corréler les niveaux de déformation atteinte aux mécanismes d’endommagement opérants et qui reflètent l’extension des défauts microstructuraux au sein des composants de la phase (Conducteur et isolants). Pour ce faire, nous proposons une modélisation numérique introductive à l’aide d’Abaqus. Nous la dénommons « introductive » en référence à la complexité des mécanismes mis en jeu et qui incluent plusieurs matériaux de comportements mécaniques différents (cuivre, plusieurs types d’isolants, etc.). Ensuite, toujours à l’aide de modélisations numériques, cette fois-ci utilisant Comsol, nous avons essayé de montrer l’impact des endommagements mécaniques sur les propriétés physiques (électrique et thermique) de la phase. Parallèlement à cette étude numérique, nous avons proposé et mis en place un banc d’essais mécaniques de fatigue de géométrie horizontale afin de tester des éprouvettes phase de câble de haute tension, de 3,5m de long, imaginé, fabriqué et mis en place par les moyens du laboratoire COSYS/MACSI. Ce banc a été spécifiquement mis en place pour tester en fatigue des matériaux et multi-matériaux « mous ». Nous avons également équipé ce banc par une enceinte thermique qui nous a permis de pratiquer des essais de fatigue à température avoisinant 90°C (Température maximale d’utilisation des câbles HT).

 Mots clefs : Dégradation mécanique, Diagnostic filaire, Câbles d’énergie sous-marins, Energie éolienne offshore, simulation numérique, simulation analytique, banc de fatigue