À IP Paris, la mécanique des fluides au service des éoliennes flottantes et de la diversification énergétique

Mer méditerranée, Golfe de Fos, à 17 km des côtes françaises. Les trois éoliennes flottantes du projet Provence Grand Large sont solidement arrimées aux fonds marins. La ferme délivre 25 MW d’électricité (soit la consommation annuelle de 45 000 habitants) et préfigure les dispositifs qui seront déployés à l’horizon 2030 en Europe. 

Aujourd’hui en effet, la plupart des éoliennes offshore sont fixes, posées sur les hauts fonds marins à quelques kilomètres des côtes. Mais à cette distance, elles restent visibles et les vents ne sont pas toujours constants. Avec leurs cousines flottantes, il est possible de s’affranchir de ces contraintes en allant chercher un vent plus fort, plus régulier et davantage prédictible à une centaine de kilomètres des côtes. « Les difficultés de maintenance (accès, surveillance) obligent toutefois à réduire leur nombre et, en contrepartie, à augmenter leur taille et leur puissance. La hauteur de ces futures éoliennes équivaudra à celle de la Tour Eiffel ! », souligne Luc Pastur, professeur associé au laboratoire de mécanique et de ses interfaces (LMI*) de l’ENSTA.

Certains pays d’Asie comme la Chine, la Corée ou le Japon mettent déjà en service des engins flottants de 15 à 20 MW. La France et l’Europe se positionnent également dans la course avec l’annonce de machines de 21 MW ou des fermes pilotes comme Provence Grand Large. 

Des trous pour amortir le mouvement de pilonnement

Dans ce contexte, Luc Pastur co-encadre une thèse dédiée à l’étude des plaques d’amortissement qui équipent certains modèles d’éoliennes flottantes**. « Ces dernières sont soumises à un mouvement de pilonnement qui affecte leur prise au vent, donc la production d’énergie, et accroît la fatigue des structures », explique le chercheur. Les plaques contrecarrent ce pilonnement en entraînant une masse importante de fluide dans leur mouvement oscillant et en générant des structures d’écoulement tourbillonnaires. Elles ajoutent alors l’inertie de fluide déplacée à celle de l’éolienne, et les structures d’écoulement produites sont responsables d’un phénomène additionnel d’amortissement ajouté que l’on cherche à maximiser. Bien que le rôle des structures d’écoulement des plaques dans ce dernier soit documenté, la physique à l’œuvre n’est pas bien comprise. « En la décrivant, il sera possible d’optimiser la géométrie des plaques, l’amortissement qu’elles induisent, et in fine la production d’électricité ».

Pour mener ces travaux, les scientifiques partent de l’hypothèse que les turbulences créées par les plaques antipilonnement dissipent l’énergie contenue dans le pilonnement subi par les éoliennes. « Avec le mouvement d’oscillation, des tourbillons sont créés sur les bords des plaques, de part et d’autre desquelles ils s’enroulent. De plus, lorsque les plaques sont percées, des jets d’eau sont produits à travers les trous. Ils peuvent alors être à l’origine d’une cascade de structures tourbillonnaires depuis les échelles les plus grandes - celle des plaques – jusqu’aux échelles les plus petites, où elles sont dissipées par la viscosité », décrit Luc Pastur. 

Un canal à houle installé à l’EDF Lab de Chatou permet notamment de recréer expérimentalement les vagues les plus dommageables pour les éoliennes flottantes. « Il s’agit de celles dont le rythme entre en résonnance avec le mouvement vertical naturel de l’éolienne et amplifie le phénomène de pilonnement ». 

En y adjoignant une technique d’imagerie particulière - la vélocimétrie par image de particules - les chercheurs établissent une cartographie complète du champ de vitesse du fluide autour des plaques oscillantes. Une autre thèse devrait compléter ces travaux par des simulations numériques, donnant accès à davantage de paramètres et orientant les études vers des configuration de plaques plus complexes. « Avec un tel dispositif, nous allons caractériser les structures d’écoulement et leur nature turbulente, quantifier l’énergie qu’elles emportent avec elles et essayer de corréler le tout à l’amortissement ajouté », explique Luc Pastur. 

Former les futurs experts de l’éolien offshore

Parallèlement, le chercheur poursuit ses activités à la tête du programme de master Offwind dédié à l’éolien en mer. Porté par l’ENSTA et l’ENPC, coordonné par l’Institut Polytechnique de Paris, Offwind a remporté en 2024 l’appel à manifestation d'intérêt Compétences et Métiers d’Avenir (CMA) lancé par France 2030. « Notre objectif est aussi de sensibiliser la filière d’enseignement de bac + 3 à bac + 8 afin de susciter les vocations et de préparer les futurs ingénieurs du secteur ». Ainsi, les formations proposées répondent aux besoins de la filière et les partenaires industriels du programme y contribuent par la mise à disposition d’intervenants ou de financements de thèses CIFRE. « La première promotion de master 2 a fait sa rentrée en septembre 2025. L’activité de recherche autour de l’éolien en mer suivra fin 2026 avec les premières thèses du programme », se réjouit le chercheur. 

**Investigation of dynamics of heave plates for floating offshore wind turbines, menée par Fracisco Jacome Llerena, co encadré par Luc Pastur, Jeff Harris et Rémi Carmigniani.

A propos de Luc Pastur 

Luc Pastur est professeur associé de l’ENSTA, Directeur du programme OFFWIND, Responsable du parcours Energies en Mer en 3^e année du cycle Ingénieur de l’ENSTA et co-responsable du master WAPE (Water, Air, Pollution and Energy) de l’Institut polytechnique de Paris. Sa spécialité est la mécanique des fluides, sur des thématiques tournées vers les applications en lien avec des partenaires industriels (Thales, CEA, EDF), vers l’énergie dans le cadre des centres interdisciplinaires E4C et CIMO, ou vers la défense en lien avec le centre interdisciplinaire CIEDS de l’Institut polytechnique de Paris.

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