S'abonner à un flux RSS
 

Energies marines

De Wikhydro
Site internet du RFRC : Réseau Français de Recherche Côtière

Sommaire

Introduction

L'utilisation de l'énergie marine remonte aux années 1120 avec les moulins à marées. La mer, recouvrant plus de 70 % du globe terrestre, est une source potentielle d'énergie peu exploitée. Cependant, dans le domaine des énergies renouvelables, aujourd’hui, plusieurs sortes de ces énergies marines tiennent une place grandissante au sein de la famille des énergies propres, telles que:

  • L'énergie des vagues ou houlomotrice,
  • L'énergie marémotrice,
  • L'énergie des courants marins.

En 2008, en France, l'Agence de l'environnement et de la maîtrise de l'énergie a proposé un outil d’aide à la décision pour les aider les préfets à juger les demandes d'autorisation d’implantation des projets utilisant les énergies marines (incluant l'éolien offshore).

Energie des vagues ou houlomotrice

Définition

L'énergie houlomotrice (énergie de la houle) est une source d'énergie d'origine cinétique et potentielle liée au déplacement de la surface de la mer sous l'action de la houle.

Potentiel

Les vagues à la surface des mers sont créées par le vent. La quantité d’énergie générée est faible (1 W/m²/an, soit 200 fois moins que d’énergie solaire directe). Mais comme les vagues se déplacent de manière très économe, on peut espérer récupérer presque toute l’énergie créée sur de vastes surfaces marines. L’énergie des vagues n’est pas la même partout, et elle varie suivant les saisons. Elle est importante en Europe du Nord-Ouest, en particulier le long des côtes britanniques. Si les vagues de la façade atlantique de la France pouvaient être entièrement converties en électricité, elles fourniraient 420 térawattheures par an, soit 90 % de la consommation électrique annuelle. Le coût de ces énergies est de l’ordre 30 à 60 €/MWh vers 2010 (prix de revient).

Techniques de récupération

Il existe 4 principaux types de dispositifs pour récupérer l’énergie des vagues :

  • Des bouées sous-marines en mouvement(colonnes d’eau oscillantes immergées) à 10 mètres sous l'eau, qui montent, descendent et tanguent au gré des vagues. Ancrées sur le fond, leur mouvement actionne un piston, aspire de l’eau de mer dans une turbine ou comprime de l’air ou de l’huile qui va faire tourner un moteur.
Image1.jpg

C’est la technologie CETO, 1 km2 de ferme marine permettent de délivrer 5 à 10 TWh (facteur de capacité de 30%). Pour générer 24 TWh, il faut 4 km2 de ferme marine. C'est très faible proportionnellement aux surfaces disponibles. L’impact est nul sur les activités de surf.

  • Des colonnes d’eau oscillantes côtières : en fin de course, les vagues entrent dans un caisson où elles compriment l’air emprisonné. Cet air comprimé fait tourner une turbine ;

Les premiers systèmes de ce type sont les centrales à colonne d’eau ont été installés à terre en construisant une chambre en béton sur côte. L’une des installations pionnières est l’usine Limpet installée au nord de l’Écosse et dotée d’une puissance électrique nominale de 500 kW.

Image2.jpg
Du fait des faibles rendements de ces installations à cause du déferlement et la perte de puissance des vagues, arrivent des colonnes d’eau oscillantes. Ces machines reposent sur le même concept en contenant la chambre de compression dans un flotteur amarré en plein mer.
Image8.jpg
  • De systèmes de déferlement: Les vagues s’engouffrent dans un chenal qui se rétrécit de plus en plus. Elles enflent et débordent par-dessus la digue d’un réservoir qui se remplit peu à peu. L’eau du réservoir revient à la mer en passant par une turbine qu’elle fait tourner.
Image4.jpg
  • Des systèmes des caissons flottants: reliés entre eux par des charnières articulées. Les vagues déplacent les caissons dans tous les sens. On récupère de l’énergie au niveau des articulations mobiles entre les caissons, grâce à des pistons actionnant des pompes à huile sous pression.
Image5.jpg
  • Des systèmes posés au fond: cette variété de machines a la particularité de reposer à même le fond marin dans des profondeurs d’eau de 15 à 30 m.
Image9.jpg

Système des caissons flottants « Pelamis Wave Power »

Le Pelamis est un projet de la société écossaise Ocean Power Delivery , dont un parc de Pelamis est installé au large de la côte portugaise. Ce sont des serpents métalliques placés dans la direction de propagation de la vague, d’une longueur de 120 m, 3,5 m de diamètre et 750 tonnes de poids. Les liaisons placées entre ces différents flotteurs sont souples. C’est pourquoi, sous l’action des vagues et de la houle, le Pelamis ondule sur la surface de l’eau. Cette ondulation actionne des pompes à huile, qui envoient le fluide sous pression au niveau d’un moteur hydraulique, qui entraîne un alternateur. Ainsi, de l’électricité est produite. L’énergie produite est envoyée au continent par l’intermédiaire d’un câble en fibre optique sous-marin qui transmet le courant à la station de contrôle située sur la plage.

Image7.jpg

Coût et Potentiel

La première phase de développement représente un investissement de 9 millions d’€. Un Pelamis génère 750 kW, ce qui représente la consommation de 500 foyers. La capacité d’une ferme est de 10 à 30 MW/km². Avantages et inconvénients

  • Commandée par la station : maximiser l’énergie avec les petites vagues et limiter ses mouvements dans les grosses pour éviter les risques de casse,
  • Sans fondation donc peu de frais d’installation, le Pelamis est remorqué et amarré en mer,
  • Mobilité et maintenance aisée (remorquage à terre),
  • Déstabilisation de la faune et de la flore par les câbles déployés pour le transfert d'électricité,
  • Impact sur la navigation et sur la pêche car les fermes houlomotrices seraient rendues inaccessibles.

Projets Français de l’École Centrale de Nantes (2006) : Le Searev

Le Searev (Système Electrique Autonome de Récupération de l'Energie des Vagues ) est un flotteur de 26 mètres de long, 10 mètres de large et présentant une masse de 1000 tonnes, a été imaginé pour pouvoir être amarré à une quinzaine de kilomètres des côtes, par des profondeurs d'eau de 30 à 50 mètres. Une roue de 9 mètres de diamètre, placée à l'intérieur, fonctionne comme un pendule. Dans son balancement, elle entraine des pistons qui, en bout de chaîne, font tourner un générateur ». Les mouvements relatifs du pendule et du flotteur entraînent des pompes hydrauliques, qui chargent les accumulateurs à haute pression. Ces derniers livrent leur énergie à des moteurs hydrauliques, qui entraînent des générateurs d'électricité.

Image12.jpg

Coût et Potentiel

L’objectif est de parvenir à un coût de vente d’environ 6 € du kilowatt en 2020 avec un coût de production inférieur à 0.15 € par kilowatt. La production attendue est d’environ 500 kW avec un potentiel de 2500 watts par mètre carré.

Energie marémotrice

Le dimensionnement des ouvrages destinés à récupérer l’énergie marémotrice est facilité par la connaissance parfaite des cycles de marée, d’où un rendement satisfaisant des installations. Cette énergie peut être captée de deux manières : en se servant uniquement des variations du niveau d’eau (on récupère alors une énergie potentielle par l’intermédiaire de barrages) ou en exploitant les courants de marée avec des hydroliennes (on capte ainsi de l’énergie cinétique).

Fonctionnement

Ce type de structures fonctionne sur les différences de niveaux d’eau entre chaque côté de l’usine et n’est donc envisageable que dans des zones où le marnage dépasse les 5 m. Une usine se compose d’un barrage, positionné dans un estuaire et muni de turbines. Ces dernières vont récupérer l’énergie de la marée en utilisant la force des millions de mètres cubes d’eau entrant et sortant de l’estuaire lors du cycle de marée. Enfin, un générateur va convertir l’énergie fournie par les turbines en électricité. Cet ouvrage peut être utilisé aussi bien lors de marées montantes que descendantes, à condition de se munir de turbines avec des pales à double effet (tournant dans les deux sens).

Image13.jpg

Puissance

Chaque année, la marée dissipe une énergie équivalente à 22.000 TWh soit 1/5ème de la consommation mondiale. Cependant, le nombre de sites, où l’installation d’usines marémotrices est envisageable, reste limité. L’usine de la Rance, seul ouvrage du genre en France, produit 0,5TWh chaque année grâce à 24 turbines à double effet. Par conséquent, seule une fraction de cette énergie est récupérable actuellement.

Coût

Le coût des différentes usines marémotrices varie d’un projet à l’autre car évidemment, plus sa capacité de production est élevée, plus son coût de fabrication s’en trouvera augmenté. L’usine de la Rance, par exemple, représente un investissement initial de construction de 500 millions d’euros. En Grande-Bretagne, l’usine marémotrice On peut cependant considérer qu’il s’agit d’un investissement rapidement amorti si l’on compare le prix de revient de l’énergie produite par l’usine marémotrice de la Rance, fonctionnant depuis 40 ans, qui est de 18 centimes/kW, à celui de l’énergie photovoltaïque, qui est de 42 centimes/kW à l’heure actuelle. Les coûts de maintenance sont, quant à eux, difficilement chiffrables.

Inconvenient

  • Le nombre de sites qu’il est possible d’équiper est limité. Il faut un fort marnage, des conditions hydrodynamiques amplifiant l’onde de marée et une topographie garantissant la stabilité de la structure.
  • Les aménagements se révèlent particulièrement destructeurs pour l’environnement : corrosion des matériaux de l’usine, modification de la sédimentologie et de la courantologie des zones d’implantation, rupture de l’équilibre entre espèces.

Ces difficultés ont amené à l’abandon de presque tous les projets d’usine marémotrice à travers le monde. La récupération d’énergie cinétique des courants de marée par des hydroliennes s’est alors imposée comme une méthode prometteuse.

Energie des courants

Face aux difficultés de mettre en place une usine marémotrice, une nouvelle technique a rapidement vu le jour. L’immersion d’hélices sous-marines au fond des estuaires, soumis à de fortes marées, permettrait d’exploiter les courants des marées sans construire de barrage.

Fonctionnement

Image14.jpg

L’hydrolienne fonctionne sur le même principe qu’une éolienne. Des turbines munies de pâles sont disposées dans l’axe des courants, pour éviter une trop forte résistance au courant et la détérioration du matériel (dans un estuaire pour les courants de marée ou au large pour les courants marins). C’est l’énergie cinétique de ces courants, dont la vitesse doit dépasser 3 nœuds sur des durées assez importantes pour être exploitable, qui est récupérée et convertie en électricité. Le générateur, relié aux turbines, ne peut pas être entraîné par le simple mouvement de rotation des pâles, trop faible (moins de 200 tours minutes). La présence d’un multiplicateur est donc préférable pour augmenter cette vitesse de rotation. De nombreux constructeurs français et européens ont compris l’importance de cet outil pour le bon fonctionnement des hydroliennes et fabriquent des multiplicateurs qui transmettent 95% minimum de l’énergie des pâles au générateur. Enfin, un corps mort est indispensable pour la fixation de l’engin sur le fond.

Puissance

L’énergie fournie par les courants marins est une énergie cinétique, elle est fonction de la masse et de la vitesse du volume d’eau. La puissance motrice de l’eau qui traverse le rotor est donc donnée par : LaTeX: W=1/2.rho.S.U^3

Avec W la puissance en W/m, ρ la masse volumique égale à 1024 kg/m, S la section que traverse le fluide et U la vitesse du courant en m/s.

Le grand intérêt de cette technique est que la densité de l’eau, 1000 fois supérieure à celle de l’air, permet à une hydrolienne de produire plus d’électricité qu’une éolienne, à dimensions identiques. Cette caractéristique est représentée dans le tableau ci-dessous :

Ressource Courant marin Courant marin Vent
Vitesse en m/s 1.5 2 13
Puissance en kW/m² 1.7 3.9 1.4

Coût

La technologie étant assez nouvelle, il est difficile d’établir une moyenne des sommes à investir pour ce type de projets. Cependant, en comparant avec l’expérience reçue grâce aux éoliennes offshore, on peut penser que le coût sera de l’ordre de 2 500 €/kW à 3 500 €/kW selon la profondeur d’eau, le type de sol, la distance à la côte et la taille du parc. Toutefois, sachant que le gisement de courants marins exploitables représente 3 GW environ en France, le long des côtes de la Manche et la pointe de la Bretagne, EDF R&D prévoit d'installer dans cette zone, d’ici 2012, une centrale hydrolienne de 4 à 10 rotors, pour une capacité totale de 4 à 6 MW. Ancrées par 35 m de fond, dans l'anse de Lesnay, les hydroliennes devraient pourvoir aux besoins de 5 000 foyers, soit l'équivalent des 3 communes à proximité. Le coût annoncé de l'opération : 20 millions d'euros.

Avantages et inconvénients

L’énergie est ici inépuisable et continue: en effet, le vent ne souffle pas en continu sur terre, alors que les courants sont toujours présents sous l’eau. Le positionnement des hydroliennes étant le plus souvent immergé, leur impact visuel sur le paysage est bien moindre que les usines marémotrices ou éoliennes offshores. Les nuisances sonores et lumineuses pour les riverains sont également éliminées. En revanche, la résistance de l’hydrolienne est un important problème car cette dernière est soumise à des conditions particulièrement difficiles telles que la salinité, la puissance des courants, le sable en suspension, etc.… La maintenance s’avère également compliquée à mettre en œuvre en raison de l’accès limité au champ d’hydroliennes, qui nécessite un personnel formé spécialement pour la maintenance en mer. De plus, certains types d’hydroliennes ne possèdent pas de système leur permettant de remonter en surface, la maintenance doit alors être effectuée sous l’eau, par des plongeurs. La rouille et la corrosion des matériaux la composant ne permettent presque pas leur récupération et leur réutilisation après la fin de la vie de l’hydrolienne. Ceux-ci sont donc destinés à être détruits ou jetés et se transforment en déchets. Un autre inconvénient se trouve dans le financement: en effet l’investissement est en général trop important pour les entreprises, et l’état seul ne peut assurer le financement complet d’un champ d’hydroliennes.

Projets français

Plusieurs entreprises françaises s’intéressent à ce type d’énergie car Hydrohelix Energies a récemment identifié plus de 200 sites sur le littoral atlantique ou cette technologie serait particulièrement rentable. Sur le littoral breton, trois sites permettraient une production d’électricité optimale :

  • La Chaussée de Sein (21 km de long) avec des courants jusqu'à 6 noeuds donnerait lieu à la construction d’un parc hydroliennes de 1000MW,
  • Le Fromveur (même installation) avec des courants jusqu'à 8 noeuds produirait le double de la Chaussée de Sein,
  • Le Raz Blanchard (même installation) avec des courants jusqu'à 10 noeuds permettrait l’installation d’une centrale de 3000 MW.

Cette dernière a par ailleurs deux projets en cours

  • Marénergie qui a été labellisé par le Pôle Mer de Bretagne en décembre 2005, mais n’a pas reçu les financements nécessaires. (10 millions d’€)
  • Sabella pour la construction d’une hydrolienne 4 fois plus petite que les futures hydroliennes prévues dont le prototype a coûté 750 000 €. Elle fut plongée à 23 m de profondeur, durant 133 jours pour des essais concluants en Décembre 2008.

Dans un autre registre, la SARL Aquaphile a travaillé sur le concept des Hydrogen, hydroliennes flottantes (sur le concept des roues à aubes flottantes) ancrées sur le fond, utilisant les courants de marée. Le premier modèle est désormais commercialisé. Enfin, le laboratoire grenoblois LEGI s’attèle au projet HARVEST visant à la réalisation d’une hydrolienne à turbines verticales en chaîne entre un flotteur et un point d’ancrage sur le fond.

Image15.jpg
Projet HARVEST et point de localisation géographique

Conclusion

Ces énergies servent à servir notre quotidien en énergie électrique. De nos jours, les demandes augmentent et les énergies actuelles sont souvent polluantes et limitées. D’après les recherches, et les divers tests cette énergie future va répondre à multiples critères :

  • Pas de rejets,
  • Renouvelable,
  • Pas de nuisance,
  • Rentable et répondant à la demande,
  • Respect de la biodiversité et de l’environnement,
  • Avantage au plan social par la création d’emplois locaux (zones littorale) non délocalisables,
  • Technologies utilisables pour le développement durable,
  • Concertation avec les autres usagers de la mer.

Il faut noter que le développement de ces énergies est assuré que si la volonté politique à coté de l’industrie est affirmée.

Références bibliographiques

Auteurs : Marine Durafour et Saliha Zemenzer

Outils personnels