Dans des applications aussi exigeantes, quels facteurs l'ingénieur en électronique de puissance doit-il prendre en compte lors de la conception de solutions d'alimentation électrique ?

Châssis de base commun pour applications sous-marines avec interconnexions ROV (Source : PRBX/Shutterstock/Vismar UK)

Architecture électrique sous-marine :
Généralement, les installations sous-marines sont alimentées depuis la côte ou une plateforme par des câbles de transport haute tension longue distance jusqu’à des postes de transformation flottants ou immergés. La tension y est localement abaissée en courant alternatif (CA) ou continu (CC) dans une plage de 300 à 900 V CA ou de 400 à 1 500 V CC afin d’alimenter les équipements locaux et, finalement, d’obtenir des tensions CC plus basses pour l’application finale. Cette approche est courante, comme pour les réseaux électriques et les équipements électroniques des applications industrielles terrestres. Cependant, lorsque l’équipement final est situé sur le fond marin et concerne des installations pétrolières, gazières ou autres équipements sensibles, les exigences de qualité et de sécurité sont nettement plus élevées.

Le réseau électrique sous-marin comprend des composants tels que des commutateurs, des transformateurs abaisseurs, des systèmes de distribution d'énergie et des équipements de surveillance et de contrôle qui alimentent divers équipements, notamment des pompes, des compresseurs, des systèmes d'injection d'eau et des contrôleurs de sécurité. Pour des raisons d'efficacité et de sécurité, les composants électriques peuvent être installés sur un châssis de base commun au fond marin (Figure 1) et interconnectés à l'aide de connecteurs spécifiques à l'application, capables de gérer la basse tension pour la signalisation et la haute tension pour l'alimentation électrique, et de résister à la pression hydrostatique et aux connexions sous-marines. De plus, pour garantir la sécurité et un fonctionnement continu, le réseau local est protégé par des alimentations sans interruption (ASI), qui peuvent également être installées au fond marin.
Tous les composants du réseau sont récupérables et conçus pour un fonctionnement normal et en cas d'incident. Cependant, étant donné qu'ils sont souvent déployés à des profondeurs inaccessibles à l'homme, ils peuvent nécessiter l'intervention de véhicules sous-marins télécommandés (ROV) et ont été conçus en conséquence.

 Alimentation électrique conçue pour s'insérer dans un cylindre sous pression (Crédits image : PRBX/VB120-5)

Qu'est-ce qui rend les sources d'énergie sous-marines si particulières ?

Les alimentations électriques sous-marines se divisent en deux grandes catégories :
• Les unités d’alimentation autonomes conteneurisées (SC-PSU)
sont conçues pour résister à de très hautes pressions. Elles intègrent des connecteurs pour eaux profondes et un châssis détachable conçu pour la manipulation par ROV. La conception des SC-PSU exige une grande expertise dans le domaine des équipements pour eaux profondes et elles sont souvent conçues et fabriquées par les mêmes entreprises qui fournissent les transformateurs et les sous-stations sous-marines.

• Bloc d'alimentation intégré (E-PSU) :
Les E-PSU sont intégrés à l'équipement sous pression final et ne sont pas exposés à la haute pression ni en contact avec le liquide. Similaires aux alimentations industrielles, les E-PSU offrent une fiabilité extrêmement élevée et des fonctionnalités spécifiquement adaptées aux exigences des opérateurs sous-marins.

Aperçu de l'unité d'alimentation intégrée (E-PSU).
Les concepteurs d'électronique de puissance travaillant sur des alimentations sous-marines décrivent souvent leur travail ainsi : « Concevoir une alimentation extrêmement robuste, fiable et intelligente pour l'un des environnements les plus hostiles de la planète, où la défaillance est inacceptable. » Cette description résume bien les défis auxquels sont confrontés les concepteurs lorsqu'ils développent des solutions d'alimentation destinées aux grands fonds marins, accessibles le plus souvent uniquement par ROV (véhicules
Comme mentionné en introduction, les applications sous-marines sont nombreuses et les normes et bonnes pratiques varient selon le secteur d'activité. Cependant, une approche commune demeure : réaliser des analyses de risques pour évaluer la sécurité technologique et opérationnelle.
En collaboration avec le fabricant de l'équipement, le calcul de la charge électrique est l'une des premières étapes de la conception du système d'alimentation. Les ingénieurs doivent estimer la charge électrique requise par tous les éléments sous-marins consommateurs d'électricité afin de sélectionner la source d'énergie appropriée. Chaque charge locale peut être classée en plusieurs catégories : vitale, essentielle et non essentielle.
• Vitale : La coupure de courant mettrait-elle en danger la sécurité du personnel ou causerait-elle des dommages importants à la plateforme, au navire ou aux équipements sous-marins ?
• Essentielle : La coupure de courant entraînerait-elle une baisse ou une interruption de la production de pétrole ou de gaz, ou, dans le cas du câble transcontinental, une interruption des communications ?
• Non essentielle : La coupure n’affecte-t-elle ni la sécurité ni la production ?
Selon l’équipement final et le niveau de risque, différentes technologies peuvent être envisagées, telles qu’une alimentation redondante, un équilibrage automatique des charges ou une alimentation de secours basculant sur un système d’alimentation sans coupure (ASI). Dans tous les cas, les sources d’alimentation doivent pouvoir communiquer avec le système de surveillance central, qui garantit un haut niveau de sécurité opérationnelle grâce aux dernières avancées en matière de contrôle numérique et d’algorithmes prédictifs.
Lorsque certains éléments des équipements sous-marins pétroliers et gaziers passent d’un fonctionnement entièrement hydraulique à un fonctionnement hybride (par exemple, les vannes motorisées à surveillance et commande électroniques), les alimentations doivent être intégrées au sein du cylindre sous pression. De plus, lors de la conception d'alimentations pour câbles de transmission, comme les répéteurs de signaux, l'espace est un facteur critique. Les concepteurs doivent donc tenir compte du volume disponible pour adapter l'alimentation à l'application finale (Figure 02).
Compte tenu de la compacité et du haut niveau d'intégration, la compatibilité électromagnétique au sein du système intégré est un autre critère essentiel lors de la conception d'une alimentation pour les opérations sous-marines. Des tests d'interopérabilité approfondis sont réalisés lors de la conception finale de l'équipement, ce qui peut parfois nécessiter l'adoption d'une topologie différente, comme une topologie multiphasée avec déphasage actif, afin de réduire les interférences électromagnétiques.
Dans les applications sous-marines, la durée de vie et la fiabilité sont primordiales. Les alimentations doivent être conçues avec une marge de sécurité élevée et en minimisant les contraintes électriques et thermiques sur chaque composant (Figure 03). Le choix des composants est un aspect important de la conception et peut influencer le choix de la topologie et les méthodes de construction. On peut citer, par exemple, le choix de transistors de commutation adaptés à une carte mère conçue pour faciliter le refroidissement par conduction.

Considérations de conception relatives aux différentes normes.
La plupart des concepteurs d'alimentations électriques sont habitués aux normes communes pour les applications industrielles, médicales, de transport ou de défense. Cependant, pour des domaines spécifiques tels que les applications pétrolières et gazières sous-marines, ils doivent tenir compte de normes spécifiques, comme celles établies par l'American Petroleum Institute (API). Comme illustré à la figure 4, cette norme couvre plusieurs domaines et alimentations électriques spécifiques afin de se conformer aux différentes sections de la norme relative aux systèmes de contrôle de production et de traitement sous-marins (API 17F). Cette norme inclut des tests spécifiques ainsi que des protocoles de communication.
De plus, concernant les connecteurs sous-marins, nous listons deux types de connecteurs conformes à la norme ISO 13628. Ces connecteurs établissent des exigences générales et des recommandations internationales pour le développement de systèmes de production sous-marins complets, de la phase de conception jusqu'au démantèlement et à l'abandon. Cette norme s'applique non seulement aux connecteurs, mais elle est également souvent utilisée en complément de la norme API.

Exemples de normes AMI et ISO applicables aux applications pétrolières et gazières sous-marines (Crédit photo : PRBX)

Énergie durable pour les applications sous-marines.
La plupart des applications sous-marines sont alimentées depuis la côte par des câbles électriques longue distance, ou depuis une plateforme par des câbles de transport à haute tension, souvent de 10 à 100 km de long. Cependant, certaines applications nécessitent des solutions énergétiques à distance. Généralement, un navire ou une plateforme flottante équipée de générateurs traditionnels peut être positionné au-dessus du champ pétrolier, mais cette solution n'est pas optimale du point de vue environnemental et du développement durable. C'est pourquoi la communauté de l'ingénierie sous-marine explore des solutions alternatives.
Parmi les nombreux projets menés à travers le monde, le projet « Énergie renouvelable pour l'alimentation sous-marine » (RSP) est l'un des plus intéressants et prometteurs. Il vise à répondre à la question suivante : comment combiner les technologies vertes pour fournir une alimentation électrique et des communications fiables, continues et à faible émission de carbone aux équipements sous-marins, offrant ainsi une alternative rentable aux câbles ombilicaux ? L'entreprise écossaise Mocean Energy, pionnière dans le domaine des énergies marines (qui a développé Blue X, un convertisseur d'énergie houlomotrice de 20 mètres de long, 38 tonnes et 10 kW (Figure 5)), et un groupe de partenaires spécialisés dans le stockage et la gestion de l'énergie sous-marine, ont élaboré un modèle économique combinant énergie des vagues, énergie solaire et stockage d'énergie pour alimenter les équipements sous-marins des projets pétroliers et gaziers (Figure 6). Cet exemple démontre que l'énergie des vagues, associée aux technologies solaires et de stockage par batteries, peut constituer une alternative fiable et économique aux coûteux câbles ombilicaux pour les applications sous-marines.

Convertisseur d'énergie houlomotrice Blue X de Mocean Energy (WEC) - (Crédits image : PRBX / Avec l'aimable autorisation de Mocean Energy - Colin Keldie - EMEC)

En conclusion :
l’électronique de puissance sous-marine est souvent considérée comme un secteur de niche, mais pour un concepteur de solutions d’alimentation électrique en eaux profondes, c’est une formidable opportunité d’explorer un éventail fascinant d’applications exigeant une technologie de pointe, une fiabilité extrême et une véritable innovation. Ce contexte, associé à des concepts émergents comme les énergies renouvelables pour l’alimentation électrique sous-marine (RSP), rend notre travail incroyablement stimulant et motivant, repoussant les limites de nos systèmes d’alimentation pour des explorations toujours plus profondes.

Le convertisseur d'énergie houlomotrice fournit de l'énergie renouvelable pour diverses applications sous-marines - (Crédits image : PRBX / Avec l'aimable autorisation de Mocean Energy)

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Auteur : Patrick Le Fèvre, PRBX, Directeur Marketing et Communication

Références :
POWERBOX (PRBX) :
https://www.prbx.com/

Mocean Energy :
https://www.mocean.energy/

Institut américain du pétrole (API)
https://www.api.org/

Organisation internationale de normalisation
https://www.iso.org/home.html