Énergie
Améliorer les parcs éoliens offshore et les turbines marémotrices en prédisant l’imprévisible
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Les projets d’énergie renouvelable en mer gagnent une traction importante à l’échelle mondiale. Si l’on se concentre uniquement sur l’Union européenne, le déploiement de l’énergie éolienne offshore est au cœur de la réalisation du Pacte vert pour l’Europe, qui vise à garantir la compétitivité de l’Europe et la sécurité de l’approvisionnement énergétique.
Dans l’ensemble, la stratégie européenne dédiée aux énergies renouvelables offshore a déjà été publiée par la Commission européenne, proposant des mesures solides pour soutenir le développement durable à long terme du secteur. La stratégie fixe des objectifs ambitieux d’une capacité installée d’au moins 60 GW d’éolien offshore et 1 GW d’énergie océanique d’ici 2030, et de 300 GW et 40 GW respectivement d’ici 2050. La bonne nouvelle est que les pays de l’UE ont déjà dépassé les objectifs proposés par la Commission, tant à court qu’à long terme.
Le marché mondial des énergies renouvelables offshore croît également rapidement. Selon le Rapport sur le marché éolien offshore 2024 publié par le National Renewable Energy Laboratory (NREL), les nouvelles installations éoliennes offshore en 2023 ont porté la capacité mondiale à plus de 68 GW, réparties sur 319 projets en exploitation qui hébergent plus de 13 000 turbines en service.
Avec des projets supplémentaires à différents stades de planification et de développement, la capacité éolienne offshore en cours de réalisation totalise plus de 453,6 GW, dont 104,4 GW proviennent de structures flottantes.
Une telle croissance des régimes d’énergie renouvelable offshore nécessite un soutien solide de la communauté mondiale de R&D, et ce soutien est disponible. Dans le segment suivant, nous abordons une innovation de ce type : le déploiement de robots sous-marins capables de prédire les vagues en temps réel afin de réduire le coût de production de l’énergie renouvelable offshore.
Une nouvelle technologie pourrait rendre la maintenance des parcs éoliens offshore et des turbines marémotrices moins chère, plus rapide et plus sûre
La recherche a été menée par trois chercheurs de l’Université d’Édimbourg, Kyle L. Walker, Laura Beth Jordan et Francesco Giorgio‑Serchi. Cette équipe a développé une architecture de contrôle complète de bout en bout pour le rejet des perturbations lors des tâches de maintien de position sous l’influence des vagues, englobant un contrôleur prédictif non linéaire (NMPC) combiné à un prédicteur déterministe des vagues marines (DSWP). Leur solution vise à faciliter le fonctionnement des véhicules sous-marins opérant dans des environnements dominés par les vagues, où les perturbations influencent fortement la réponse du véhicule et constituent une menace pour la sécurité opérationnelle.
En termes simples, les chercheurs ont mis au point des outils — à la fois informatiques et expérimentaux — qui permettent aux robots autonomes de maintenir une position stable au milieu de vagues irrégulières et tumultueuses. Le bassin d’essai FloWave de l’université a servi de site d’expérimentation. Pour les données, ils ont utilisé les informations capturées par une bouée en mer du Nord afin d’imiter les types de conditions dans lesquelles les robots pourraient travailler.
Le système utilise des appareils ancrés au fond marin pour mesurer la direction et la hauteur des vagues entrantes et transmettre l’information en temps réel à un robot opérant à proximité, permettant à la machine sans pilote d’anticiper les perturbations futures complexes dans l’eau et de les contrer afin de maintenir une position stable.
Les avantages de la technologie
Source: The University of Edinburgh
Des robots autonomes stables stationnés en mer effectueraient la tâche complexe de maintenance de routine à moindre coût, réduisant le coût global de production d’énergie renouvelable, qui n’a pas d’avantage concurrentiel car il coûte généralement beaucoup plus cher que les combustibles fossiles. Le déploiement de tels robots et leur stabilité assureraient également des opérations simplifiées ne nécessitant ni navires, ni hélicoptères, ni équipements de levage.
Les chercheurs soulignent que leur nouvelle solution est meilleure que les systèmes de contrôle conventionnels.
“En formant une prédiction des futures perturbations de vagues et en l’intégrant au système de contrôle, nous pouvons étendre cette portée avec peu ou pas de modification du matériel du robot. En ce qui concerne le déploiement de cette technologie sur le terrain, c’est un avantage considérable et rend notre système applicable à la plupart des véhicules actuellement disponibles sur le marché.”
De plus, les résultats des essais ont montré que le système possède un haut niveau de compatibilité avec les robots opérant à de grandes profondeurs près de la surface où les perturbations sont ressenties très fortement.
À l’avenir, les chercheurs souhaitent doter la solution d’une plus grande autonomie afin qu’elle puisse exécuter des tâches précises, comme détecter la rouille ou réparer des équipements électriques, sans devenir instable.
“Faire progresser davantage cette technologie pourrait permettre un changement radical dans l’adoption de robots autonomes en mer et augmenter drastiquement le degré d’automatisation dans le secteur offshore.”
Bien que cette recherche rende la production d’énergie renouvelable offshore moins chère et plus efficace, nous devons nous rappeler que les recherches dans ce domaine se poursuivent depuis longtemps. En 2022, par exemple, trois chercheurs, Y. Liu, M Hajj et Y. Bao, ont publié une revue de l’évaluation des dommages basée sur les robots pour les turbines éoliennes offshore ou OWT. Voici quelques-uns des aspects cruciaux des conclusions de cette revue.
Déploiement de robots pour évaluer les dommages des turbines éoliennes offshore
La recherche a souligné que les robots pouvaient accomplir la tâche d’évaluation automatisée de l’état des turbines éoliennes offshore. Elle a étudié les possibilités de déployer des UAV, des robots grimpeurs et des robots sous-marins pour la surveillance ainsi que l’utilisation de la photographie, de la thermographie et de l’imagerie X‑ray pour détecter les anomalies.
Les turbines éoliennes offshore subissent de nombreux facteurs, notamment des environnements hostiles où les charges dynamiques et extrêmes affectent leur sécurité et leur durée de vie. Les coûts d’installation et de maintenance augmentent, entraînant une hausse du coût global de production d’énergie renouvelable. De plus, il existe un risque de dégradation des matériaux causé par les eaux salées de la mer.
La recherche indique que les récents progrès de la technologie robotique et des algorithmes intelligents peuvent aider à évaluer les niveaux de dommages des OWT. Un robot équipé d’un dispositif d’inspection non destructive (NDE) peut être exploité à distance ou automatiquement pour inspecter les OWT, et les données obtenues peuvent être analysées à l’aide d’algorithmes intelligents pour la détection, la classification, la localisation et la quantification des dommages. Les UAV, les robots grimpeurs et les robots sous-marins peuvent également aider en transportant des appareils tels que des caméras optiques et infrarouges, ainsi que des équipements X‑ray.
La recherche a déduit que les inspections basées sur les robots pourraient constituer d’excellentes solutions pour renforcer la sécurité et offrir un haut niveau de robustesse tout en maintenant un coût bas.
En examinant la valeur que ces solutions offrent à l’industrie de la production d’énergie renouvelable, plusieurs entreprises ont développé des solutions commerciales dans ce domaine. Voici quelques exemples.
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1. Aerones
Aerones est l’un des leaders mondiaux parmi les entreprises qui offrent des services de maintenance robotisée des turbines éoliennes. L’entreprise affirme exploiter sa technologie robotique brevetée pour que ses équipes de service offrent des prestations plus rapides, plus sûres et plus efficaces aux opérateurs éoliens du monde entier.
L’étendue des services proposés par Aerones couvre tous les domaines cruciaux du cycle de vie d’une turbine, y compris l’inspection, le nettoyage, la réparation, etc. Pour l’inspection, elle propose la protection contre la foudre, l’inspection interne et par drone, ainsi que le nettoyage des trous de drainage. En matière de nettoyage, Aerones assure le nettoyage des tours et des pales. Pour les services de réparation, la plateforme robotique très sophistiquée d’Aerones aide à la préparation de surface, à l’application de mastic, au ponçage et à la protection du bord d’attaque, en appliquant un revêtement protecteur pour préserver la surface de la pale contre l’érosion pendant de nombreuses années.
L’ensemble unique de services robotisés d’Aerones n’est pas destiné à remplacer les humains ou à leur enlever des emplois. Il nécessite des techniciens certifiés pour contrôler les outils depuis le confort d’un véhicule chauffé. Grâce à leur précision et efficacité robotisées, les services d’Aerones réduisent les temps d’arrêt de 4 à 6 fois et diminuent les périodes d’inactivité de 5 à 10 fois. Son système propriétaire fournit des services robotisés de haute qualité aux techniciens de turbines éoliennes pour les inspections, le nettoyage, la maintenance et les réparations, tandis que sa plateforme de données numériques basée sur le cloud recueille des ensembles de données intersectoriels uniques provenant des inspections, permettant une tarification efficace de plans de maintenance préventive plus intelligents et des budgets.
En septembre 2024, Aerones a obtenu un soutien du fonds d’innovation destiné à des projets d’infrastructure hautement innovants, prêts pour le marché, évolutifs et ambitieux visant à réduire les émissions de CO₂.
Aerones a reçu 4,4 millions d’euros du fonds d’innovation de l’UE. Le projet, expliquent-ils, vise à réaliser les réparations de turbines en 18 heures, réduisant ainsi considérablement les temps d’arrêt et contribuant aux objectifs climatiques mondiaux. Selon les rapports, leur approche permettrait de réduire de 67 % les temps d’arrêt de réparation, évitant 161 349 tonnes de CO₂ sur une décennie et permettant la production de 918 320 MWh supplémentaires d’électricité renouvelable.
En janvier 2023, Aerones a levé 30 millions de dollars US pour développer ses services robotisés et améliorer l’efficacité. Ce tour de financement a été co‑mené par les nouveaux investisseurs Lightrock et Haniel, avec la participation de Blume Equity et des investisseurs existants Change Ventures, Metaplanet et Mantas Mikuckas, entre autres.
Aerones a indiqué que les fonds seraient utilisés pour développer les fonctions techniques et commerciales d’Aerones, augmenter le nombre d’équipes de service robotisées et s’étendre à de nouveaux marchés à forte croissance. Au moment de la levée de fonds, la gamme de solutions robotisées d’Aerones servait déjà des clients représentant 50 % de la capacité mondiale d’énergie éolienne.
2. Bladebug
Une autre entreprise innovante répondant aux besoins de la première industrie éolienne offshore en pleine croissance et visant à les rendre prévisibles et efficaces est Bladebug. L’entreprise développe des robots avancés pour assister les techniciens dans l’inspection et la réparation des pales de turbines, sans recourir à l’accès par corde. De nombreux avantages caractérisent les solutions robotiques de Bladebug. Elles réduisent les barrières à l’adoption, minimisent les temps d’arrêt et évitent la duplication des efforts.
Les robots rampants de Bladebug peuvent être opérés hors de la ligne de vue. Grâce à eux, les techniciens peuvent effectuer à distance des tâches de maintenance sans les coûts associés et sans être exposés aux conditions difficiles. Ils sont semi‑autonomes.
Deuxièmement, étant léger, la rapidité de déploiement et la facilité d’utilisation sont bien supérieures à celles de nombreux concurrents. Grâce à la solution robotique de Bladebug, les équipes O&M peuvent traiter les défauts avant qu’il ne soit viable d’utiliser une équipe d’accès par corde traditionnelle. Cette maintenance préventive augmente l’efficacité de la turbine et maximise l’énergie à faible empreinte carbone générée.
Enfin, sa conception modulaire garantit que le corps du robot peut accueillir différents équipements de contrôle non destructif et de réparation, le rendant flexible en mer.
Bladebug a reçu un soutien financier et un mentorat importants de la part d’entreprises telles qu’Innovate UK, Catapult Offshore Renewable Energy, Imperial Enterprise Lab et Launch Academy. Elle est financée par deux investisseurs : Britbots et The Offshore Wind Growth Partnership.
3. Reblade
En mai 2024, le Global Wind Energy Council a rapporté qu’un record de 117 gigawatts de nouvelle capacité avait été installé dans le monde en 2023. En raison du défi d’installer davantage de matériel et d’une augmentation des plans de maintenance associés, la société danoise Reblade a créé une usine de réparation miniature livrée par drone.
Les solutions robotiques de réparation de pales de l’entreprise comprennent le plug‑and‑play pour les équipes de maintenance, permettant aux équipes d’instruire et de surveiller les projets depuis le sol. Les robots de Reblade peuvent réaliser des réparations d’érosion avec un robot dédié à chaque activité, du nettoyage et du meulage au revêtement et à la peinture du bord d’attaque des pales de turbine. Le système de réparation livré par drone était personnalisable, chaque module pouvant exécuter des tâches et fournir des produits spécifiques aux préférences et besoins de chaque client.
L’entreprise a affirmé que ses robots étaient extrêmement rapides et efficaces, les équipes de service terminant les réparations de deux turbines complètes en une seule journée. Elle a également déclaré que ses solutions pouvaient résister à une variété de conditions météorologiques, les robots fonctionnant sans problème dans des zones reculées, réduisant le temps et les coûts de service jusqu’à 80 %. La société compte trois investisseurs, dont Eureka Network et le Conseil européen de l’innovation.
Solutions robotiques pour améliorer les parcs éoliens offshore et les turbines marémotrices : le futur
Dans les jours à venir, améliorer l’efficacité des parcs éoliens offshore et des turbines marémotrices nécessitera davantage d’efforts d’automatisation des processus d’inspection et de maintenance. Ces aspects, en plus d’améliorer la qualité du service, réduiront considérablement les problèmes de sécurité en diminuant le besoin de plongeurs humains travaillant dans des environnements sous‑marins dangereux.
Le passage des efforts humains aux solutions robotiques impliquera des véhicules télécommandés, des navires de surface sans pilote et des robots sous‑marins autonomes plus sophistiqués. Ces technologies fonctionneront avec succès dans des conditions dangereuses ou inaccessibles aux humains, opérant sur une gamme de conditions météorologiques difficiles, à des profondeurs plus importantes et pendant de plus longues périodes.
Les chercheurs travaillant dans ce domaine ont identifié plusieurs axes clés nécessitant des solutions plus nuancées. Par exemple, les robots sous-marins doivent maintenir un positionnement précis dans des mers turbulentes — un défi que la recherche que nous avons présentée au début aborde comme une avancée majeure.
Les chercheurs envisagent également l’utilisation de jumeaux numériques. Étant donné que les robots d’aujourd’hui sont capables de technologies avancées de cartographie 3D et de reconstruction, ils peuvent créer des modèles tridimensionnels détaillés des infrastructures sous-marines. Les ingénieurs peuvent alors utiliser ces « jumeaux numériques » pour surveiller l’accumulation de vie marine sur les fondations des turbines ou identifier d’éventuels problèmes structurels, le tout depuis la sécurité des salles de contrôle à terre.
Une autre percée révolutionnaire dans ce domaine est l’utilisation coordonnée des USV et des ROV. Les USV servent de stations de base mobiles, déployant et coordonnant les ROV sous-marins pour réaliser des inspections complètes des infrastructures des parcs éoliens. Les équipes menant ces opérations bénéficient d’IA avancée et de systèmes de contrôle, permettant à ces unités robotiques de naviguer dans des environnements sous‑marins complexes avec une précision et une efficacité remarquables.
Selon les estimations, l’utilisation de systèmes d’inspection robotisés pourrait réduire la consommation de carburant des missions de maintenance jusqu’à 97 % — passant de 7 000 litres par jour à seulement 200 litres.
En résumé, les avantages sont nombreux. Le climat bénéficie d’une réduction significative des émissions de carbone. Les entreprises profitent à long terme, car ces solutions font baisser le coût global de production d’énergie renouvelable. Enfin, les employés, en particulier ceux liés à la maintenance et à l’inspection, bénéficient de normes de sécurité renforcées et de la possibilité de travailler dans des conditions nettement sans risque.
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