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Les hydroliennes sollicitées en fatigue
projet bibliographique - ENSTA Bretagne - promo 2017

Arnaud DRAPIER
20 janvier 2015

Pierre MARTIN

Table des matières
Introduction
1

2

Les différents types d’hydroliennes et leurs structures
1.1 Principe général de fonctionnement . . . . . . . .
1.2 Hydroliennes à axe verticale (AV) . . . . . . . . .
1.3 Hydroliennes à axe horizontale (AH) . . . . . . . .
1.4 Le dimensionnement des pales d’hydroliennes . .

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3
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4

2

L’utilisation des matériaux composites et leur vieillissement en milieu marin
2.1 Définition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2 Les composites en milieu marin, phénomène de plastification . . . . . . . . . . .
2.3 Analyse d’un cas expérimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8
8
9
10

3

Dimensionnement en fatigue des pales, quels choix réaliser ?
13
3.1 Les pales d’hydroliennes sont sollicitées par des chargements cycliques importants 13
3.2 Méthodes de dimensionnement, choix des composites . . . . . . . . . . . . . . . . 13

Conclusion

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15

1

Introduction
De nos jours, les hydroliennes sont au coeur des recherches sur les énergies marines renouvelables. Depuis quelques années nous constatons une évolution conséquente dans ce domaine,
nous sommes passés du stade expérimental comme celui des essais SABELLA à Bénodet ou celui de Seaflow au large de Devon en 2003 à celui de production industrielle, comme la prochaine
hydrolienne d’Alstom Océade 18 - 1.4 MW. Rien qu’en Europe le potentiel est estimé à 12,5 GW,
dont 2,5 GW rien qu’en France.
La France possède 20% du potentiel européen réunit sur un faible nombre de sites ; le Fromveur
et le Raz Blanchard principalement avec une présence de courants très puissants. On note que
le potentiel augmente singulièrement près des zones de fort marnage. En effet, dans des zones
bien spécifiques de la planète le courant marin y est idéal de par sa vitesse suffisante et constante
pour entraîner des pâles d’hydrolienne, entraînant à son tour un générateur , producteur alors
de l’énergie électrique. Le puissance produite en milieu marin est nettement supérieure à l’air,
car l’eau est 832 fois plus dense que l’air. On considère que l’utilisation d’hydrolienne devient
intéressante dans les courants marins supérieurs à 2m/s. De nombreuses études ont lieu de nos
jours dans ce domaine particulièrement en France elles nous permettront dans un futur proche
de tirer le meilleur profit de cet univers encore fort peu exploité. Pour une même puissance
générée, les pales d’hydroliennes nécessitent moins de surface que celles des éoliennes. Deux
avantages des hydroliennes par rapport aux éoliennes offshores : le peu d’espace qu’elles occupent et leur discrétion dans le paysage marin. Autre avantage notable, les courants marins
sont prévisibles et la production électrique peut être envisagée en conséquence. Toutefois, le
milieu marin est connu pour être exigeant et agressif pour les matériaux (corrosion, bio feeding, algues...). Quelques entreprises française, comme DCNS, EDF et ALSTOM, après de nombreuses années de recherche et d’essais ont lancé la commercialisation de telles structures offshore.
Notre étude s’est portée particulièrement sur la structure des hydroliennes, l’utilité des matériaux composites ainsi que leur vieillissement et à la fatigue de ceux-ci en milieu marin. En
troisième partie nous expliquons les choix qui peuvent être fait au niveau du dimensionnement
des pales et des composites à utiliser.

2

Chapitre 1

Les différents types d’hydroliennes
et leurs structures
1.1

Principe général de fonctionnement

Afin de récupérer l’énergie des océans, les hydroliennes ont été implantées dans le but de
produire de l’électricité. Les pâles sont entraînées par les courants marins et l’énergie mécanique
induite est convertie en énergie électrique. C’est le principe de la dynamo.
Comment cette électricité est-elle générée ?
Une hydrolienne est constituée principalement de pâles, d’un moyeu, d’un arbre principal,
d’un générateur électrique et bien évidemment d’une structure de support souvent en acier. Les
pâles fixées sur le moyeu vont entraîner celui-ci en rotation grâce au mouvement de l’eau (force
du courant marin). Le système pales, moyeu et arbre principal transforme donc cette force en un
mouvement rotatif et l’ensemble entraîne le générateur. Ce dernier va convertir l’énergie mécanique en énergie électrique. Il peut éventuellement y avoir un multiplicateur (système d’engrenage) entre l’ensemble rotatif d’entrée et le générateur, permettant d’augmenter le nombre de
tours du générateur en cas de mouvement de pâles trop lent.[20][19]
Il existe deux technologies principales d’hydroliennes :
– Celles dont les turbines sont à axe horizontale
– Celles dont les turbines sont à axe verticale

1.2

Hydroliennes à axe verticale (AV)

On appelle hydrolienne à axe vertical celle dont l’axe est orthogonal à l’écoulement.
Il existe 3 grands types de turbines verticales (Figure1.2) :
– la turbine type Darrieus : robuste et indépendante de la direction du vent dans le cas des
éoliennes,
– La turbine type Gorlov,
– La turbine type Savonius dont le principe est basé sur la déflexion du fluide ou flux sur
les pâles.
Ces hydroliennes ont la particularité de pouvoir être assemblées afin de créer une véritable
barrière d’hydroliennes.

1.3

Hydroliennes à axe horizontale (AH)

Ici, l’hydrolienne a un axe parallèle à l’écoulement. l’hydrolienne D10 Sabella appartient à
la classe des hydroliennes à axe horizontal (Figure1.3).
Il est important de souligner les avantages et les inconvénients de ces structures. En effet
l’hydrolienne à axe vertical se démarque du fait de son indépendance par rapport à l’incidence

3

du courant. Elle est également moins bruyante que son homologue et d’un point de vue mécanique il est possible de placer le rotor des hydroliennes à axe verticale hors de l’eau réduisant ainsi les coûts de maintenance par exemple. Cependant cette solution implique quelques
contraintes. Le couple de démarrage de cette dernière n’est pas automatique à contrario de
l’hydrolienne à axe horizontal, cela nécessite alors un dispositif de démarrage qui risque de
perturber le rendement ( de 25 à 30% pour les hydroliennes AV contre 40 à 45% pour les hydroliennes AH). Enfin les pâles des hydroliennes à AV nécessite un procédé de fabrication précis,
ce que nous allons détailler ci-dessous.[20][19]

1.4

Le dimensionnement des pales d’hydroliennes

Les pâles d’une hydrolienne constituent l’élément essentiel de notre système, permettant de
capter la force de l’écoulement et d’obtenir le mouvement de rotation attendu pour produire
notre électricité. Les pâles sont caractérisées par plusieurs éléments : la longueur, la largeur, le
nombre, le profil et les matériaux rentrant dans leur composition.
Les pales ont toutes un profil hydrodynamique, c’est-à-dire légèrement bombée, permettant
l’application du théorème de Bernouilli (cf schéma des forces) (Figure1.6)
Le principe de fonctionnement est simple : Le courant marin en passant sur la pale va créer
une dépression sous cette dernière, c’est le phénomène de portance, permettant à celle-ci de
tourner. Ces mêmes efforts sollicitent donc notre hélice en fatigue, c’est pourquoi il faut choisir un matériau adapté. C’est-à-dire un matériau qui possédera les meilleures propriétés mécaniques en terme de résistance mais également en terme de corrosion. De nos jours, les matériaux
composites sont très largement répandus sur le marché et utilisés dans de nombreux domaines.
Finalement, le choix d’une pale est complexe, il faut tenir compte de la puissance du générateur, du phénomène de cavitation potentiel dans l’eau 1 et gérer la taille tout en gardant en tête
l’optimisation.

1. naissance et oscillation radiale de bulles de gaz et de vapeur dans un liquide soumis à une dépression[7]

4

F IGURE 1.1 – Les différents composants d’une hydrolienne [1]

F IGURE 1.2 – De gauche à droite : la turbine de Darrieus, Gorlov et Savonius [2] [3] [4]

5

F IGURE 1.3 – Hydrolienne D 10 Sabella [5]

F IGURE 1.4 – Fabrication de pales de l’hydrolienne Sabella, janvier 2015 [6]

6

F IGURE 1.5 – Mise sous vide des plis de carbone des pales [6]

F IGURE 1.6 – Forces appliquées sur une pale d’hydrolienne [8]

7

Chapitre 2

L’utilisation des matériaux
composites et leur vieillissement en
milieu marin
2.1

Définition

Les matériaux utilisés pour constituer une pale d’ hydrolienne sont le plus souvent des matériaux dits composites. Qu’est-ce qu’un matériau composite ?
C’est un mélange d’au moins deux composants non miscibles, le matériau ainsi constitué est
hétérogène et possède des propriétés que les composants seuls ne possèdent pas. Leur mélange
améliore grandement la qualité de la matière et sa résistance face à certaines utilisations. A résistance égale le composite nécessite moins de matière que les autres matériaux ce qui en conséquence allège considérablement les structures.[12] A noter que certains composites comme les
thermodurcissables ne sont pas recyclables facilement.
Un composite se compose d’une matrice et d’un renfort. Pour exemple le béton armé est un
matériau composite ; composite béton plus armature d’acier. Leur utilisation de nos jours est
des plus répandue dans tous types de domaines (structure navale, automobile, aéronautique,
haute technologie...).
On distingue habituellement trois grandes familles de composites :
– les composites à matrice organique (CMO)
– les composites à matrice céramique (CMC)
– les composites à matrice métallique (CMM)
Chacune de ces familles possède des propriétés différentes et pour chacune d’entre elles,
différents types de renforts sont employés. Pour la conception d’hydroliennes c’est la famille
des composites à matrice organique qui est utilisée et plus particulièrement ceux dits de haute
performance . Les composites utilisés dans le cas des hydroliennes sont le plus souvent des polymères thermodurcissables qui se présentent sous forme liquide visqueuse et que l’on met en
forme en déclenchant une réaction chimique de polymérisation par ajout d’un durcisseur, ce
qui entraîne une solidification. [17] Différentes fibres peuvent être employées avec les matrices
organiques. Les plus courantes sont :
– les fibres de verre, peu coûteuses et très répandues, 95% des renforts utilisés
– les fibres de carbone, plus onéreuses mais très performantes d’un point de vue mécanique,
utilisées notamment en aéronautique, en construction industrielle et dans les sports et
loisirs
– les fibres d’aramide (Kevlar) ou de polypropylène, plus résistantes aux chocs et plus tenaces que le carbone, d’où leur utilisation, entre autres, dans les gilets pare-balles et autres
protections balistiques
– les fibres végétales comme le chanvre ou le lin, assez peu coûteuses et renouvelables, qui

8

commencent à faire leur apparition sur certaines pièces peu sollicitées mécaniquement.
Dans le cadre des hydroliennes leur utilisation est peu conseillée car ces fibres sont sensibles à l’eau.
Divers procédés de fabrication des composites existant :
– Le moulage au contact qui consiste à déposer sur la forme une couche de gel coat puis
des couches successives de renforts imprégnées au rouleau d’une résine polymérisant à
l’ambiante. Exemple : l’élaboration d’une coque de bateau
– Le moulage par projection utilisant un pistolet projetant de manière simultanée une résine
catalysée et les fibres de renfort
– Le moulage au vide ou « au sac ». Exemple : utilisé pour la fabrication des pales de l’hydrolienne Sabella
– Le moulage par infusion et le moulage par injection RTM [11]
La très grande majorité des systèmes mécaniques et des structures est chargée par des efforts variables dans le temps créant des contraintes et déformations dans les pièces et ceci de
façon cyclique. Aujourd’hui la plus grande difficulté vis à vis des hydroliennes réside dans la
prévision de la durée de vie de ces matériaux composites et notamment en milieu marin.

F IGURE 2.1 – Coupe d’une pale d’hydrolienne faite de matériaux composites

2.2

Les composites en milieu marin, phénomène de plastification

L’un des problèmes récurant dans beaucoup d’études concernant les hydroliennes est la
difficulté de la maintenance et de toutes les contraintes qu’elle génère. Compte tenu des prix
élevés des réparations offshores, un fonctionnement sans intervention lourde est à assurer pour
au moins 5 ans. Ceci demande une excellente durabilité des matériaux composites en haute mer.
Le type de fibre utilisée, la résine et l’interface fibre-matrice influent notablement sur la durée
de vie du matériau composite.
En milieu marin les composites sont utilisés depuis plus de 50 ans et plusieurs études ont
montré que l’eau de mer peut entraîner une diminution importante des propriétés mécaniques.
Le projet Seaflow de Marine Current Turbines (au large de Devon en 2003) a mis en oeuvre
2 pales en composite avec un noyau central en carbone/epoxy recouvert d’une enveloppe de
verre/epoxy.[13] Plusieurs de ces essais américains ont montré une rupture précoce des pales
d’origine et ont conclu rapidement à la nécessité d’un redimensionnement de celles-ci.
Lors d’une immersion d’un composite en milieu marin, on observe que les molécules d’eau
impliquent une plastification du polymère. Qu’est-ce que la plastification ? La pénétration d’un
solvant (l’eau) dans un matériau abaisse la température de transition vitreuse Tg de ce matériau,
c’est ce qu’on appelle le phénomène de plastification.
La compréhension de ce phénomène est cruciale pour la durabilité à long terme des composites en milieu marin. Les liaisons hydrogènes auraient une certaine affinité à réagir avec les
molécules d’eau. Certains groupes de molécules sont très hydrophiles c’est le cas des alcools,
les acides ou encore les amines. Certains le sont beaucoup moins. Ainsi, Il serait avantageux de
9

F IGURE 2.2 – Verre epoxy [9]

faire intervenir ceux-ci dans la composition du polymère. Nous en reparlerons dans le dernière
partie.[16]

2.3

Analyse d’un cas expérimental

Une expérience réalisée dirigée par A.Boisseau s’est intéressée en particulier à l’étude du
comportement mécanique de trois fibres de matériaux composites assez semblables ; le Verre E,
l’Advantex et l’Hyper-Tex. Ces trois matériaux ont subis des efforts en flexion d’une part à l’air
libre et d’autre part en milieu marin.[14] On note que la contrainte maximale σm est diminuée
en milieu marin pour le Verre E et l’Advantex. De plus, l’immersion dans l’eau entraîne une
prise de masse pour les matériaux composites. Cette prise de masse dépend du type de matrice
dans le matériau. Ainsi après 25 jours passés dans l’eau de mer à une température de 20°C on
constate :
– pour le Verre E, + 0.6% de prise masse
– pour l’ Hyper-Tex, + 0.5% de prise de masse
– pour La Résine, + 2.5% de prise de masse
Qui plus est la résistance en flexion diminue avec le vieillissement en eau de mer, pour un
test à 60°C après 200 jours d’immersion en eau salée on note une diminution de 1400 MPa à 800
MPa pour l’Hyper-Tex et de 1180 MPa à 750 MPa pour le Verre E. En conséquence le composite
vieilli en eau de mer supporte tangiblement moins la contrainte que le composite neuf.[14] [10]

10

F IGURE 2.3 – Coupe d’un composite en immersion en milieu marin [16]

F IGURE 2.4 – Interaction entre la molécule d’eau et les liaisons hydrogènes du polymère[16]

11

F IGURE 2.5 – Comparaison de courbe de contraintes associées à différents composites (Nf :
fatigue life)[10]

12

Chapitre 3

Dimensionnement en fatigue des
pales, quels choix réaliser ?
3.1

Les pales d’hydroliennes sont sollicitées par des chargements cycliques importants

Le dimensionnement des pales d’hydroliennes ne peut se faire qu’en ayant une bonne connaissance des efforts auxquels elles sont soumises. Selon l’angle d’incidence du courant vis-à-vis de
la pale, on peut avoir en conséquence soit un écoulement du fluide générant de la portance 1
soit de la traînée . L’angle d’incidence change constamment puisque la pale tourne autour de
son axe. Lorsque l’écoulement du fluide génère une traînée ceci génère un frottement des filets
fluides appelé dissipation (dégradation de l’énergie mécanique du fluide en énergie thermique).
Le rendement du rotor de l’hydrolienne sera d’autant meilleur que la dissipation sera faible. La
pale effectuant 360° la composante radiale de l’effort subi par la section de la pale change de
signe entre le demi-disque amont (elle est dirigée vers l’intérieur) et le demi-disque aval (elle
est dirigée vers l’extérieur). Ce phénomène cyclique est source de fatigue importante pour la
pale.[18]
Le parallèle que l’on peut faire avec les éoliennes est très instructif. Pour une éolienne le
principal souci est la fatigue des pales due notamment aux efforts alternés de la pesanteur à
chaque rotation ainsi qu’à la turbulence des vents. Pour une hydrolienne la flottabilité des composants peut être mise à profit pour annuler l’effet de la pesanteur. Toutefois la turbulence des
courants remplace celle des vents et l’irrégularité des fonds marins crée des remous. Qui plus
est si la houle est sur zone, le mouvement cyclique des particules d’eau se superpose au courant
ce qui fait varier la vitesse locale de l’eau continuellement.

3.2

Méthodes de dimensionnement, choix des composites

Bien entendu nous abordons ici un domaine où les informations sont plus rares car cela
touche au secret de développement industriel. Toutefois nous pouvons dégager quelques aspects importants. La poussée du fluide sur le rotor de l’hydrolienne est très forte ce qui demande
un bon dimensionnement des butées mécaniques. Voici les hypothèses de base concernant le dimensionnement d’une hydrolienne :
– le site a un courant maximal de 3m/s quasiment bidirectionnel durant la marrée
– le rotor est constitué d’une hélice à pales fixes non réglables
– le rotor est fixe dans l’espace sans retournement au changement de sens du courant
1. force perpendiculaire à la pale comme pour les ailes d’un avion

13

Le rotor tournera dans un sens durant le flot 2 puis dans l’autre sens durant le jusant 3 . Toutefois il est a noté que le choix d’un rotor symétrique donne un moins bon rendement que le rotor
monodirectionnel muni de pales ayant un profil d’aile conventionnel. Question dimensionnement des pales ; la pale doit être complètement symétrique. Les bords de pales sont successivement bord d’attaque et bord de fuite . Citons le projet Seaflow, dans ce projet l’hydrolienne
était constituée de deux pales composées d’un coeur composite carbone de 65mmd’épaisseur
recouvert de verre epoxy. Ici Les pales mesuraient 7,5m de long. L’information concernant le dimensionnement et le profil exact des pales restant bien entendu un secret de fabrication. Comme
nous l’avons dit dans la section 2.2 le choix du polymère pour le renfort est important pour minimiser la prise de masse. Pour synthétiser, dans le cas des hydroliennes le matériaux composite
à préconiser se compose d’une matrice soit en epoxy soit en vynilester ou encore en polyester.
Quant au renfort on pourra choisir la fibre carbone ou de la fibre de verre sachant que le prix
de cette dernière est moins élevé que pour la fibre carbone qui possède toutefois de meilleures
propriétés.

F IGURE 3.1 – profil de pales pouvant être adopté après études [15]

2. Le courant de marée généré par la marée montante
3. le courant créé par la marée descendante

14

Conclusion
Les Océans recouvrent plus de 70% de la surface du globe. Le potentiel énergétique marin
notamment hydrolien est encore fort peu exploité. Toutefois l’installation d’un parc hydrolien
nécessite une zone de fort marnage à proximité des côtes. L’Europe possède plusieurs sites adéquats se trouvant notamment dans la Manche. L’exploitation de l’énergie des courants marins à
l’aide d’hydroliennes reste encore pour le moment au stade expérimental mais les avancées de
ces dernières années permettront une commercialisation très prochainement. Cependant, l’utilisation généralisée des hydroliennes fait face à plusieurs difficultés. Tout d’abord celui de la
maintenance, le milieu marin est un environnement très exigeant pour les structures. Les pales
d’hydroliennes sont elles-mêmes sollicitées par des efforts cycliques irrégulièrement répartis
sur leurs surfaces. Le choix du matériau composite (matrice et renfort) constituant les pales est
primordial pour un meilleur vieillissement de la structure en milieu marin et une meilleure résistance à la fatigue. Certains phénomènes comme la plastification des polymères doivent être
considérés pour faire ce choix. Un bon profil de la pale est tout aussi important pour éviter
le frottement des filets fluides conduisant à une dissipation de l’énergie mécanique et donc à
un moins bon rendement. Une similitude importante existant avec le milieu éolien, particulièrement quand on parle de résistance à la fatigue, le profil de pales d’éoliennes peut aider au
dimensionnement de celui des hydroliennes.

15

Bibliographie
[1] http://www.enerzine.com/7/14481.html.
[2] http://www.challengeeolien.fr/index2.html.
[3] http://grabcad.com/.
[4] http://www.solar.excluss.com/.
[5] http://tpehydroliennes.webnode.fr/les-differents-projets-dans-le-monde/.
[6] http://www.sabella-d10.bzh.
[7] http://fr.wikipedia.org/wiki/Cavitation.
[8] http://www.heliciel.com/Library/Rapport%20hydrolienne.pdf.
[9] Isotac isolants du sud-est. http://www.isolation-electrique.com/boutique/
delmat-epoxy-68660-norme-ep-gm-203-p-34.html.
[10] Amélie BOISSEAU. Thèse : Étude de la tenue à long terme de matériaux composites immergés
pour structures de récupération d’énergies marines. PhD thesis, January 2011.
[11] Rui Pedro Carreira. Les matériaux composites dans l’industrie des sports et loisirs.
http://www.univ-valenciennes.fr/congres/RFIS2005/Presentations/
Session7-2/RP_Carreira-RFIS2005.pdf.
[12] Philippe COGNARD. Résistance chimique et à la corrosion des composites. 2004.
[13] European commision. Seaflow : world’s first pilot project for the exploitation of marine
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[14] P. Davies, A. Boisseau, D. Choqueuse, F. Thiebaud, and D. Perreux. Durabilité des composites pour énergie marine renouvelable. Matériaux & Techniques, 100(6-7) :653–663, 2012.
[15] Peter Davies, Amélie Boisseau, Dominique Choqueuse, Frédéric Thiebaud, and Dominique Perreux. Durabilité des composites pour énergie marine renouvelable. page 34,
June 2011.
[16] Rajapakse Davies,Peter, Yapa,D.S. Durability of Composites in a Marine Environment. Springer edition, 2014.
[17] Lionel Gendre. Les grandes familles de matériaux composites. May 2011.
[18] Bernard Multon. Energies marines renouvelables : aspects généraux, éolien, marémoteur et hydrolien par Bernard Multon. librairie lavoisier edition, 2011.
[19] Centrale Paris. projet adm1 : les hydroliennes, 2005. http://www.heliciel.com/
Library/Rapport%20hydrolienne.pdf.
[20] Ane Menchaca Roa. Analyse numérique des hydroliennes à axe vertical munies d’un carénage. PhD thesis, 2011. https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00685850/
PDF/Menchaca_ane_2011_archivage.pdf Université de Grenoble. French. <NNT :
2011GRENI050>. <tel-00685850>.

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