Analyse des performances thermiques et de l’efficacité économique des câbles sous-marins en XLPE basée sur une simulation couplant électricité, thermique et hydraulique

Garantir la sécurité des lignes électriques sous-marines

À mesure que les parcs éoliens en mer se développent, davantage d’électricité doit être acheminée vers la côte via des câbles d’alimentation épais enterrés dans le fond marin. Si ces câbles sous-marins chauffent trop, l’isolant plastique qui confine l’électricité peut vieillir rapidement, raccourcissant la durée de vie du câble et augmentant les coûts. Cette étude pose une question apparemment simple mais aux importantes conséquences pratiques : comment les propriétés du fond marin et la manière d’enterrer un câble modifient-elles sa température et, par conséquent, l’économie du transport d’électricité propre vers la terre ?

Pourquoi le fond marin compte

Les câbles sous-marins pour les projets éoliens utilisent généralement un plastique robuste appelé polyéthylène réticulé (XLPE) comme isolation et sont conçus pour que leurs conducteurs métalliques restent en dessous d’environ 90 degrés Celsius. La chaleur qu’ils génèrent doit s’évacuer vers le sédiment et l’eau de mer environnants. Mais les sols marins ne sont pas tous identiques. Certains sont sableux et conduisent bien la chaleur ; d’autres riches en argile sont plus isolants. De plus, l’eau enfermée dans les pores entre les grains peut se déplacer lorsqu’elle est chauffée, transportant ainsi de la chaleur. Ces conditions locales déterminent la facilité avec laquelle un câble peut dissiper la chaleur, ce qui détermine à son tour l’intensité de courant qu’il peut supporter en toute sécurité et la rentabilité du projet sur des décennies de service.

Simuler un problème thermique complexe

Les auteurs se sont concentrés sur un type courant de câble triphasé 220 kilovolts en courant alternatif et ont construit un modèle informatique détaillé d’une coupe du fond marin où un tel câble est enterré. Plutôt que de traiter le câble comme un simple générateur de chaleur, ils ont modélisé explicitement les champs électromagnétiques qui produisent la chaleur dans les conducteurs métalliques et les autres couches. Cette chaleur se diffuse ensuite dans le sol environnant, où elle peut se propager à la fois par conduction simple et par le mouvement de l’eau poreuse entraînée par la flottabilité, comme un courant de convection naturelle très lent. En couplant les comportements électrique, thermique et hydrodynamique dans un seul cadre, ils ont pu observer comment la profondeur d’enfouissement, la température de fond, la conductivité thermique du sol et la perméabilité interagissent pour fixer la température de fonctionnement à l’état stable du câble et son courant admissible. Ils ont également vérifié que le modèle concorde bien avec une norme d’ingénierie établie, ne trouvant qu’une faible différence dans la capacité de courant prédite.

Ce qui contrôle la température du câble

Les simulations montrent des tendances claires et parfois surprenantes. Enterrer le câble plus profondément augmente systématiquement la température du conducteur, et l’effet devient plus marqué avec la profondeur, parce que la chaleur a davantage de chemin à parcourir avant d’atteindre l’influence refroidissante de l’eau de mer au-dessus. Des températures ambiantes du fond marin plus élevées décalent simplement l’ensemble du système vers le haut : pour la même charge électrique, quelques degrés de chaleur de fond supplémentaires peuvent pousser le câble au-delà de sa limite de sécurité. La conductivité thermique du sol — la facilité avec laquelle la chaleur traverse le sédiment — joue un rôle déterminant. Dans les sols qui conduisent mal la chaleur, la température décroît rapidement avec la distance et le câble chauffe davantage, limitant fortement le courant qu’il peut transporter. Dans des sols plus conducteurs, la chaleur se répartit rapidement, permettant un courant plus élevé sans dépasser la limite de température.

Soutien discret de l’eau poreuse en mouvement

Un autre facteur clé est la perméabilité, qui décrit la facilité avec laquelle l’eau peut se déplacer à travers les pores du sol. Dans les sols très serrés, typiques des argiles, le modèle montre que modifier la perméabilité sur plusieurs ordres de grandeur affecte à peine la température du câble, car l’eau poreuse bouge peu et la conduction domine. Une fois que la perméabilité dépasse un seuil d’environ 10⁻¹¹ mètres carrés — plus proche d’un limon grossier ou d’un sable — l’écoulement entraîné par la flottabilité devient important. L’eau poreuse plus chaude et plus légère remonte tandis que l’eau plus froide descend, créant des trajectoires d’écoulement en boucle qui améliorent l’évacuation de la chaleur. Dans ce régime, une perméabilité plus élevée entraîne des températures de câble sensiblement plus basses, avec une dissipation de la chaleur en motifs allongés qui reflètent ces courants internes.

Conséquences pour les coûts des projets

Parce que le coût d’un câble ne se limite pas à l’achat et à l’installation du matériel, les auteurs ont relié leurs résultats thermiques à un modèle économique simple. Ils ont combiné les dépenses d’équipement et d’installation avec la valeur de l’énergie perdue sous forme de chaleur sur une durée de vie de 30 ans, et l’entretien courant, pour calculer un indice d’investissement : le coût total divisé par la capacité de transport de courant du câble. Un indice plus bas signifie plus de watts livrés par dollar investi. L’analyse montre qu’un enfouissement moins profond, une conductivité thermique du sol plus élevée et une perméabilité suffisante réduisent tous cet indice, rendant les projets plus rentables. Toutefois, un enfouissement très superficiel peut exposer les câbles aux ancres, aux engins de pêche et aux vagues, de sorte que les ingénieurs doivent équilibrer les avantages thermiques et économiques avec le risque mécanique et les exigences réglementaires.

Message pour l’énergie en mer

Pour les lecteurs intéressés par l’avenir de l’éolien en mer, le message de l’étude est limpide : le fond marin n’est pas un simple décor passif. Sa température, la granulométrie et les voies d’écoulement de l’eau influencent fortement la marge à laquelle nous pouvons solliciter en toute sécurité les câbles qui relient les turbines offshore au réseau, et combien coûte cette connexion sur la durée. En utilisant un modèle couplé électricité–chaleur–écoulement, les auteurs montrent que le choix de couches sédimentaires plus fraîches, plus conductrices thermiquement et suffisamment perméables — et l’évitement d’un enfouissement inutilement profond — peut permettre un transfert d’énergie plus élevé et de meilleurs retours sur investissement, à condition de maintenir une protection contre les dommages physiques.

Citation: Ye, M., Zhang, Y., Wu, H. et al. Analysis on the thermal performance and economic efficiency of XLPE submarine cable based on electric–thermal–hydraulic coupling simulation. Sci Rep 16, 9467 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40092-7

Mots-clés: câbles électriques sous-marins, éolien en mer, sédiments du fond marin, transfert de chaleur, fiabilité des câbles