PowerMate : expertise connectique sous-marine au CPPM

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PowerMate : expertise connectique sous-marine au CPPM

Développement d’un connecteur sous-marin connectable dans l’eau – 36kV – 12 fibres optiques. Le projet POWERMATE est financé par le Fonds unique interministériel FUI (OSEO).Le projet a été labellisé et est soutenu par le Pôle mer PACA.

Contexte

Le CPPM (Centre de physique des particules de Marseille, CNRS/ Aix-Marseille Université) est impliqué dans deux projets sous-marins : KM3NeT et EMSO. KM3NeT est un télescope à neutrinos qui comprendra à terme 200 000 photomultiplicateurs immergés à 2500 mètres de profondeur au large de Toulon. Le deuxième projet, EMSO, est un réseau d’observatoires sous-marins pour l’environnement. Dans ces deux projets, le coût de la connexion dans l’eau (connexion dite « wet mate ») en mer profonde est d’environ 25% du coût total de l’infrastructure.

Les récents développements des énergies marines renouvelables (EMR), en particulier l’énergie hydrolienne, nécessitent des connexions wet-mate économiques adaptées aux futures architectures des fermes et aux conditions environnementales des sites (fort courant, houle).

Le développement des activités sous-marines nécessite de plus en plus l’emploi de connexions réalisées dans l’eau (wet-mate).

Enjeux

L’essentiel du marché de la connectique wet-mate est aujourd’hui centré sur l’industrie d’extraction gazière/pétrolière. Les développements de ces technologies « subsea » ont jusqu’alors été poussés par le besoin de fiabilité (figures ci-dessous). Ces produits embarquent des systèmes micromécaniques complexes, fragiles et très coûteux. De plus, le nombre de contacts optiques est limité à 6 à 8 fibres et la tension d’utilisation à 12kV.

Concept d’un connecteur Wet Mate (Source: ODI). La complexité de ce système augmente le coût et réduit la fiabilité.

Actuellement, aucun système de connexion du marché ne répond aux besoins de puissance des EMR ou aux contraintes de coût et de débit de données des projets scientifiques (KM3NeT et EMSO par exemple).

Concept connecteur Wet-mate

Pour pallier ces inconvénients, le CPPM a développé un concept innovant. L’idée est de développer un connecteur sous-marin « simplifié » qui nécessite un outil spécifique pour la connexion. Cette architecture enlève la complexité du connecteur et permet aussi d’utiliser une connectique « terrestre » bon marché. Le concept de ce connecteur a fait objet d’un brevet (FR 0903312).

Ainsi, la transmission de la puissance est réalisée par plusieurs inserts électriques et la transmission de données par des inserts optiques, montés dans un emballage (fig. 5 et 6 ci-dessous). La connexion de ce connecteur se fait alors dans l’huile grâce à l’outil décrit par la suite. Tant que les connecteurs ne sont pas branchés, ils sont fermés par un bouchon (fig.2) permettant de préserver leur intégrité dans l’eau.

Détails phases de connexions

L’outillage, chargé de connecter les inserts contenus dans un emballage, est constitué d’une chambre permettant de créer une atmosphère protectrice d’huile, et dans laquelle il sera possible de connecter ou déconnecter les connecteurs. La connexion du connecteur peut alors se décomposer en 5 phases (figue ci-contre) :

Phase 1 : Mise en place du connecteur mobile sur l’outil et la base attachée au connecteur fixe. Cette phase sera décrite en détail dans la partie opération en mer. Les connecteurs sont protégés par des bouchons d’étanchéité.

Phase 2 : Fermeture de la boîte et purge de l’eau contenue dans cette dernière par injection d’huile.

Phase 3 : Extraction des bouchons d’étanchéité. Les connecteurs sont alors ouverts dans une atmosphère protectrice d’huile.

Phase 4 : Connexion.

Phase 5 : Récupération de l’huile de la boîte, ouverture de la boite et récupération de l’outil.

La déconnexion est le processus inverse.

Phase 2 Phase 3
Phase 4 Phase 5

 

La vidéo du concept du connecteur POWERMATE

Le projet PowerMate

Après avoir validé notre concept, nous avons recherché des partenaires industriels. Nous n’avons trouvé aucun partenaire prêt à développer un connecteur pour les marchés scientifiques. En effet, le poids économique de ce marché est faible (quelques millions d’Euro par an). En revanche, nous avons trouvé un fort intérêt pour les EMR et en particulier pour les hydroliennes. En effet, l’une des clés pour le développement industriel des fermes d’hydroliennes est la connectique sous-marine (figure ci-dessous).

Architecture série-parallèle d’un parc EMR offshore avec des connexions envisageables.

A ce jour, le marché n’offre pas de solution « standardisée » permettant un déploiement de masse d’une ferme sous-marine commerciale.

L’objectif du projet POWERMATE est de développer un système de connexion wet-mate répondant au besoin des fermes hydroliennes industrielles (3 inserts électriques 36kV 1000A et 12 fibres optiques).

Consortium

Un partenariat complémentaire a été monté entre COMEX, SUBSEATECH, le CNRS, NEXANS, EDF. Ce consortium a été construit pour répondre aux besoins en termes d’expertises et compétences :

COMEX : chef de file ; élaboration procédures d’installation ; tests fonctionnels et essais en mer.

SUBSEATECH : adaptation outil de connexion aux procédures sous-marines.

NEXANS et EDF : qualification d’un connecteur sous-marins de 36 kV ; développement business plan et organisation commerciale.

CNRS/CPPM : développement du connecteur 36kV et intégration fibres optiques. Ingénierie système de l’outil de connexion

Pour mener à bien ce projet, le consortium a investi de l’argent et des moyens humains. Des subventions ont été obtenues à travers deux FUI (Fond unique interministériel). Plus de 3M€ ont été investis.

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Prototypes et Résultats

Architecture générale

Le système de connexion complet est composé de quatre éléments :

L’équipement (hydroliennes, systèmes houlomoteurs, …) à connecter et son embase.

Le connecteur constitué d’inserts électriques et optiques, d’enveloppes et de bouchons.

Partie du connecteur montée sur l’équipement et raccordée à ce dernier par l’intermédiaire d’un jumper.

Partie du connecteur monté sur l’ombilical, terminaison du câble d’interconnexion

Mais aussi les moyens et procédures permettant de gérer les opérations de mise en œuvre de la connexion : un navire DP avec l’équipement de pont, un outil de connexion permettant le raccordement sous-marin des parties du connecteur. Un outil d’installation facilitant l’installation de l’outil de connexion sur le Docking. Et pour finir le Docking : interface entre le connecteur, les outillages et l’embase.

Le connecteur

Le connecteur a été à la charge du CPPM. Comme décrit précédemment, c’est un emballage en titane qui intègre des inserts électrique 36kV et des contacts optiques (12 dans notre cas) (image ci-contre).

Beaucoup de contraintes et de spécificités ont été prises en compte dans la conception de ce connecteur Citons les problèmes de corrosions, de dilation thermique de l’huile, de gestion des moyennes tensions, la compatibilité des matériaux, la résistance mécanique, l’ergonomie pour l’outillage de connexion, d’intégration des fibres etc.

Pour permettre à l’outillage de connecter le connecteur et pour faciliter les opérations en mer, les connecteurs sont intégrés à des châssis (figure 7). La partie dite « mobile » du connecteur (celle que l’outillage déplace) est guidée par rapport au connecteur fixe par deux colonnes.

Images de l’intérieur du connecteur Connecteur PowerMate dans son chassis

L’outil de connexion

Le CPPM a été en charge du système de contrôle commande et SubseaTech de la conception mécanique.

L’outillage (figure ci-dessous) est composé d’une boîte étanche pouvant s’ouvrir et se fermer afin d’être installée autour des connecteurs. Un actionneur (« fourche ») est disposé dans la boîte afin de gérer les bouchons des connecteurs (figure ci-dessous).

Boîte étanche et outil sur connecteur Manipulateur sur outillage de connexion

Les deux vidéos suivantes permettent d’illustrer les fonctions de l’outil pour une connexion (à gauche) ou une déconnexion (à droite).

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Vieillissement – biofouling

Afin de s’assurer que notre connecteur restera fonctionnel pendant plusieurs années au fond de l’eau, nous avons immergé pendant deux ans un connecteur au large de Marseille (image ci-dessous). Nous avons alors vérifié que les systèmes de protections contre la corrosion cathodique et galvanique mis en place avaient été efficaces.

Les surfaces fonctionnelles, en particulier celles permettant l’étanchéités du connecteur avec la boite de l’outil, restent propres et permettent une nouvelle connexion/déconnexion après plusieurs mois d’immersion. Nous pouvons donc raisonnablement considérer que notre système restera fonctionnel malgré les conditions agressives rencontrées sur les site EMR.

Après 2 ans d’immersion Vidéo après 2 ans d’immersion

Installation et Test en Mer

Le réseau électrique sous-marin est constitué d’un câble ombilical dont l’extrémité est constituée par un demi-connecteur fixé sur un squelette rigide (docking station). Les équipements électriques (production, concentrateurs, …) devant s’y raccorder sont équipés d’une liaison souple mobile de 10 à 15m (jumper), terminée par l’autre demi-connecteur (mâle).

Dirigé par un opérateur depuis la surface, un équipement appelé « poisson » (image ci-contre) navigue pour récupérer le connecteur mâle, puis se dirige vers la partie femelle. L’outil de connexion est installé à l’intérieur du « poisson » et une fois en place, il réalise de façon automatique la connexion. L’opération terminée, l’opérateur manœuvre jusqu’en surface pour procéder à la récupération du « poisson ».

Pour une phase de déconnection, l’opérateur devra uniquement positionner le « poisson » sur la connexion et laisser le cycle automatique de déconnexion s’opérer. Le matériel déconnecté sera relevé avec son câble souple. (La vidéo ci-dessous montre le processus complet)

Conclusions

Ce projet a permis au CPPM de valoriser non seulement ses compétences en conception d’équipements sous-marins, mais aussi d’acquérir des connaissances en électromagnétisme, en gestion des hautes tensions, en contrôle commande d’engin robotisé et plus généralement sur les énergies renouvelables.

Le projet est en cours de finalisation. Les essais électriques sont en cours chez Nexans et nous devrions avoir des résultats pour l’automne 2018.

Le produit étant pratiquement commercialisable, une start up a été créée pour promouvoir le système. Il semble hélas que les projets d’hydrolienne et EMR en général soient retardés de quelques années mais la technologie innovante issue du CPPM est prête.

Contact: Stephan Beurthey (CPPM)   

 

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