La demande dépasse l’offre pour les convertisseurs de transmission éolienne offshore, les câbles et les navires d’installation. Que recommandent les experts ?
L’expansion de la transmission en courant continu haute tension (CCHT) est essentielle pour atteindre les objectifs nationaux d’expansion éolienne offshore, soit 30 GW d’ici 2030 et 110 GW d’ici 2050. Cependant, plusieurs obstacles persistent alors que la demande mondiale d’équipements et de ressources CCHT offshore dépasse l’offre. Les innovations prometteuses d’il y a quelques années, telles que la transmission CCHT à 400 kV et les solutions maillées en courant alternatif (CA), ne peuvent plus répondre à ces délais accélérés.
DNV, un conglomérat norvégien fournissant des services de certification et de test pour l’industrie éolienne offshore, a récemment soumis une lettre aux agences d’État et aux gouverneurs, décrivant des stratégies réalistes pour la transmission CCHT offshore. À court terme, les États pourraient se procurer des monopoles symétriques CCHT à 320 kV sans interconnexions en courant continu ou en CA, en utilisant une technologie bien établie et des flottes de navires plus larges pour installer les stations de conversion offshore. En commençant par des monopoles, ce schéma établirait la base d’un réseau CCHT à 525 kV avec des interconnexions en courant continu transférant l’énergie intra et interrégionale.
Une des premières fermes éoliennes commerciales à grande échelle du pays a récemment été mise en ligne à New York. Image utilisée avec l’aimable autorisation de South Fork Wind
Les signataires de la lettre incluent des fabricants leaders de convertisseurs CCHT tels que Hitachi Energy, GE Grid Solutions et Siemens Energy, accompagnés de dix développeurs de projets d’énergie renouvelable et de transmission comme EDF Renewables, Equinor, Shell et Atlantic Shores Offshore Wind.
Leurs recommandations arrivent alors que les États côtiers ont engagé des ressources considérables à l’expansion éolienne offshore, dépassant les objectifs nationaux. Selon Brattle Group, la commande de onze États atteindra 50 GW d’ici 2035 et 77 GW d’ici 2045. Fournir de l’énergie offshore à 129 millions de personnes vivant dans les comtés côtiers — 40 % de la population — nécessite de nombreux câbles sous-marins, des points d’interconnexion au réseau, des mises à niveau des infrastructures terrestres et davantage d’équipements de transmission pour atteindre les centres de charge.
Selon DNV, relier les circuits bipolaires CCHT de 525 kV à travers le Mid-Atlantic au départ du Nord-Est nécessite de réduire la taille et le poids des plateformes offshore pour les bipolaires CCHT de 525 kV, de définir les attentes techniques et opérationnelles pour les interconnexions en courant continu entre les bipolaires, et de localiser les points d’interconnexion ou les chenaux de navigation pour les réservations de bipolaires.
Engagements éoliens offshore des États et besoins énergétiques projetés. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Brattle Group (Page 6, Tableau ES-1)
Recommandations de DNV : 320 kV CCHT maintenant, 525 kV plus tard
Le courant continu haute tension (CCHT) est la technologie de transmission préférée pour les projets éoliens offshore car les câbles en courant continu peuvent s’étendre sur de longues distances (de 79 à 100 km) avec des pertes de puissance active plus faibles que le courant alternatif (CA). Dans le transfert de puissance en CA, les tensions de l’éolien offshore ne peuvent atteindre que 220 kV à moins d’utiliser plusieurs câbles. Cependant, contrairement au CA, le CCHT nécessite des convertisseurs et de grandes sous-stations offshore pour abriter les composants électriques.
Deux configurations courantes d’exportation CCHT incluent un design monopolaire symétrique de 320 kV avec un maximum de 1,3 GW de transmission et un bipôle de 525 kV supportant jusqu’à 2 GW. Au moins deux câbles sont généralement nécessaires pour la transmission sous-marine. Les conceptions monopolaire comprennent un câble CC et un câble de retour plus léger, tandis que les conceptions bipolaires ont deux câbles fonctionnant à haute tension. Selon National Grid, quatre à six câbles sont généralement nécessaires pour répondre à la capacité d’une ligne aérienne CA ou CC comparable. Dans la technologie de câbles existante, le transfert de puissance continu est limité à 2 GW sur un seul circuit bipolaire. Cependant, une ligne aérienne CA à double circuit pourrait supporter 6 GW.
Perspectives de la technologie de transmission offshore selon DNV. Image utilisée avec l’aimable autorisation de DNV
À court terme (entre cinq et huit ans), DNV suggère que les États se concentrent sur les monopoles symétriques CCHT à 320 kV sans interconnexions CA ou CC. Bien que les monopoles à 400 kV aient été envisagés, les goulets d’étranglement actuels de la chaîne d’approvisionnement limitent leur disponibilité commerciale. D’autre part, l’équipement à 320 kV est bien établi, avec plus de navires disponibles pour installer les stations de conversion offshore comparé à d’autres conceptions.
DNV soutient également que l’ajout d’un réseau maillé au schéma de conception augmente la complexité et l’incertitude pour les fournisseurs. Les réseaux éoliens offshore maillés nécessitent des connexions HVDC multi-terminal pour assurer l’interopérabilité entre les clusters de parcs éoliens, une innovation actuellement explorée dans les eaux européennes. Les États-Unis sont probablement à des décennies de ce type de développement, avec seulement quelques parcs éoliens offshore en ligne. Le Département de l’Énergie évalue la faisabilité d’un réseau de transmission maillé interrégional dans l’Atlantique. Cependant, les navires actuels sont insuffisants pour un réseau maillé à grande échelle aux États-Unis.
Passer à 525 kV : Normalisation de TenneT
Permettre la connexion des circuits bipolaires CCHT à 525 kV du Nord-Est à travers le Mid-Atlantic pourrait soutenir une extension de 2 GW dans la région. Pour répondre aux normes de fiabilité et aux niveaux de réserve de contingence, DNV a suggéré aux développeurs de travailler avec les opérateurs de réseau pour utiliser la réponse à la demande et les ressources de stockage pour compenser les pertes d’exportation CCHT.
À moyen terme (huit à douze ans), DNV prévoit que les bipolaires intra-régionaux à 525 kV avec interconnexions en courant continu deviendront la technologie de transmission dominante en fonction du nombre croissant de projets commandés par TenneT, un opérateur de système de transmission desservant les Pays-Bas et une partie de l’Allemagne.
Les programmes de normalisation européens mettent en avant un système de transmission éolienne offshore de 2 GW utilisant des câbles CA à 66 kV et un système de câble CC à 525 kV. Image utilisée avec l’aimable autorisation de TenneT
TenneT et cinq principaux fournisseurs ont conçu une plate-forme de convertisseur à source de tension CC à 525 kV permettant de se connecter à des équipements multi-terminal et normalisée autour d’une capacité de câble de 2 GW. Dans un seul paquet de câbles, la norme 2 GW double la capacité de transmission des technologies existantes. Par exemple, un système de 28 GW nécessite moins de la moitié des connexions (seulement 14).
TenneT met en avant une norme universelle comportant une liaison directe de 66 kV aux parcs éoliens, une station de conversion offshore et un système de câble à 525 kV pour transmettre l’énergie à terre et une unité de conversion terrestre. Dans une nouvelle approche des systèmes DC construits avant 2025, ce concept combine les fonctions des sous-stations CA et des convertisseurs CCHT. Étant donné que les stations convertissent l’électricité de CA à CC, elles n’ont pas besoin d’une sous-station CA intermédiaire entre la station offshore et le parc éolien. Ainsi, une connexion directe permet des économies de coûts et réduit l’empreinte environnementale.
Design standardisé du système de transmission offshore de TenneT. Image utilisée avec l’aimable autorisation de TenneT
Après la conversion de l’électricité de CA à CC, l’électricité est ensuite envoyée à terre via un système à 525 kV regroupé avec quatre câbles, incluant un pôle négatif et positif à 525 kV, un câble à fibre optique et un retour métallique. Les câbles passent sous terre jusqu’à la station de conversion terrestre, où la CC à 525 kV passe à la CA à 380 kV. Cette tension correspond au réseau terrestre, permettant à l’électricité de se propager à des millions de foyers et d’entreprises.
Bien qu’un tel design soit envisageable pour les États-Unis, des défis empêchent son déploiement à court terme, notamment les réglementations relatives aux réserves de contingence d’interconnexion et le manque de navires d’installation ou de barges de transport disponibles pour gérer le poids et la taille importants d’une plate-forme à 525 kV. Néanmoins, les signataires de DNV sont confiants que ces barrières peuvent être rapidement surmontées et que les bipolaires CCHT à 525 kV avec interconnexions en courant continu peuvent être livrés vers le milieu des années 2030.