Les Energies renouvelables

1. Les Energies renouvelables Part 2 : la mer

2. Incitations au voyage… • Aujourd’hui nous allons voyager : • Au Japon (à deux reprises) • En Normandie • Au Canada • En Bretagne • En Norvège (à deux reprises) • En Floride • Au Portugal • En Israël • En Ecosse (à deux reprises) • En Inde • À Hawaï • Et pour finir retour à La Réunion • Pour, à chaque fois, pour tous ces pays côtiers, parler d’énergie marine, bien sûr!

3. Introduction • L’énergie marine ou énergie des mers est l’énergie renouvelable extraite du milieu marin. • Mers et océans = 71 % de la surface du globe. • 30 000 GTep pour le seul rayonnement solaire • 40 GTep pour la seule force du vent • 2 GTep par la seule force des courants • Sans compter • l'énergie des différences de température • L’énergie des gradients de salinité dans les estuaires. • En 2050, les besoins de l'humanité sont estimés à 16,5 GTep. • Oubliées des budgets de R&D en France : • 0,1 % sur les 8 % du budget consacrés aux EnR (période 1987 – 2001).

4. Nomenklatura • Les énergies marines incluent : • L’énergie marémotrice : mouvements de flux et reflux des marées • L’énergie hydrolienne : courants sous-marins • L’énergie houlomotrice : vagues • L’énergie maréthermique ou thermique des mers : gradients de température entre les eaux de surface et les eaux profondes • L’énergie osmotique : mélange des eaux douces et salées dans les estuaires • L’énergie éolienne off shore : vents côtiers (nous n’en parlerons pas, déjà évoquée dans la Part 1) • L’énergie de la biomasse marine • Ne sont pas intégrés dans cette nomenclature : • L’énergie solaire captée au-dessus de la mer • L’énergie fossile due à l’extraction d’hydrocarbures sous-marins

5. Quelques expériences • Dans le monde, au Japon : • projet de centrale off shore de 13 milliards de yens, soit 121 M€, qui devrait être achevé en 2012, visant à tester plusieurs formes d'énergie marine (énergie marémotrice, houlomotrice et ETM). • En France, l’ADEME édite un outil d’aide à la décision pour les préfectures incluant • Les obstacles physiques (écueils, amers, balisages) • Les réglementations (baignade, pêche, plaisance, transports) • Une volonté française locale : Antifer.

6. Site d’Antifer à Saint-Jouin de Bruneval

7. Site d’Antifer

8. Site d’Antifer = formidable champ d’expériences pour les énergies renouvelables marines

9. L’énergie marémotrice Inadaptable à La Réunion, car marnage insuffisant

10. Historique et Principe • Moulins à marée sur l’Adour dès le XIIè siècle. • L'énergie marémotrice est issue des mouvements de l'eau créés par les marées. • Elle est utilisée • sous forme d'énergie potentielle - l'élévation du niveau de la mer, c’est le principe de l’usine de La Rance • sous forme d'énergie cinétique - les courants de marée, captées par des turbines ou hydroliennes (Cf. infra).

11. Principes Usine marémotrice d’Annapolis Royal, Baie de Fundy, Nouvelle-Écosse, Canada

12. Potentiel • Ordre de grandeur = 22 000 TWh = 2 Gtep • Seule une fraction est récupérable • Parfaitement prédictible : • Position des astres en un point donné; • Propagation de l'onde de marée non instantanée, qui permet • D’étaler la production • D’effacer les passages à zéro

13. Quelques sites • Sihwa Lake, non loin de Séoul • Au Canada, une vingtaine de sites • Nouvelles technologies : • Hammerfest Strom, • Îles Shetland.

14. La Rance • Barrage créé en 1966 • 3% de l’électricité consommée par les Bretons (essentiellement nucléaire) • 60% de l’électricité produite par La Bretagne (90% selon EDF) • Envasement progressif de l’estuaire • Modifications de faune • Site touristique

15. Barrage de La Rance

16. Intermezzo vidéo sur l’usine de La Rance

17. L’énergie hydrolienne Adaptable à La Réunion

18. Carte mondiale des courants

19. Principe • Turbine sous-marine utilisant l’énergie cinétique des courants marins (comme une éolienne) • La formule de l’énergie est la même: Pcin = ½rSV3 où r est la masse volumique du fluide, S le diamètre du cercle de l’hélice, et V la vitesse du fluide. • r est 832 fois plus élevé pour l’eau de mer que pour l’air • Limite de Betz = 16/27 = 59% (rendement maximal que l’onn’atteint jamais)

20. Schéma de fonctionnement d’une hydrolienne

21. Intermezzo vidéo sur le fonctionnement d’une hydrolienne

22. Hydroliennes sous-marine d’Hammerfest Strom

23. Avantages • Beaucoup plus petites que les éoliennes pour une même puissance • Courants marins prévisibles, donc électricité prédictible • Potentiels des courants marins sont très importants, • Ne pollue pas. • De nouveaux modèles d'hydroliennes semi-immergés peuvent être adaptés aux rivières.

24. Inconvénients • Zones de turbulences, d’où les études d’impact. • Effets sur la faune • Dans les eaux turbides, l’érosion des pales d’hélice ou des pièces mobiles par le sable est très forte. • Effet sur la flore => utilisation d’un antifouling. • Elles coûtent très cher à l’entretien et à l’installation.

25. Impacts • Mal connus : zones de turbulence, qui empêchent le sédiment mais brasse plus de nutriments • Accélération des courants de contournement • Pas d’envasement (les grandes pales sont limitées dans leur rotation à 10-20 trs/mn) • Les sites préférentiels sont des sites à courant fort (3 m/s minimum), donc peu enclins à voir s’y développer une faune et une flore sédentaire et fixée.

26. Potentiel • Potentiel européen • Pour EDF, la France dispose de la deuxième ressource européenne • Les courants de marée constituent pour l'instant le domaine préférentiel de ce type de technologie, car : • intensité importante • proximité de la côte • direction stable • enfin, prédictibilité

27. Carte des courants dans La Manche

28. Perspectives • La technologie des hydroliennes est encore expérimentale. • Investissement élevé d'une centrale hydrolienne et faible tarif d'achat de l'électricité font reculer les investisseurs. • UK à la pointe avec des capitaux d’EDF!!! • Tidalsteam • En France • le projet HARVEST • le projet industriel Marenergie • Un autre démonstrateur de 10 kW, Hydro-Gen 10, développé par une PME, « Hydrohélix » (cf. « Plaidoyer d’Hervé Majastre »). • La première hydrolienne du parc EDF de Paimpol-Bréhat, "l'Arcouest", • Autres projets : • Québec, deux turbines de 250 kW chacune; • Ecosse, un rotor de 21 m de diamètre devrait produire 1 MW; • On a déjà évoqué le projet Hammerfest Strøm en Norvège.

29. Illustration tirée de www.floridahydro.com

30. Transport d’une hydrolienne Openhydro sur son site en mer

31. L’énergie houlomotrice Ou énergie des vagues Adaptable à La Réunion

32. Principe • L'énergie des vagues ou énergie houlomotrice est une énergie utilisant la puissance du mouvement des vagues. • Faisabilité étudiée en Angleterre : • Couplé à des dispositifs flottants ou à des ballons déplacés par les vagues dans une structure en forme d'entonnoir • De nombreux problèmes pratiques ont contrarié les projets. • Depuis 2003, développement de Searev par • le laboratoire de mécanique des fluides de l'École centrale de Nantes • le département mécatronique de l'École normale supérieure de Cachan • L'appareil, comme un petit sous-marin, sera immergé à une dizaine de kilomètres des côtes. • La machine Pelamis exploitée au Portugal

33. Animation sur la machine PELAMIS

34. L’expérience portugaise • Machine Pelamis • Composée de sections • Ce mouvement • Les trois machines portugaises • La production moyenne • Déroulement du projet • Des progrès restent à faire pour que cette source d’énergie ne devienne pas un « serpent de mer »!

35. Le Portugal en pointe : ferme à vagues d’Aguçadoura Machine Pelamis fendant une vague

36. Le Pelamis Pelamis en action au Centre européen d’énergie marine (EMEC), en Ecosse 2 des 3 machines dans le port de Peniche, au Portugal

37. Les fermes à vagues dans le monde

38. L’énergie thermique des mers Ou énergie maréthermique ou OTEC = Ocean Thermal Energy Conversion Adaptable à La Réunion

39. Différences de température entre la surface et une profondeur de 1000 m

40. Principes et Historique de l’ETM • Utilise la différence naturelle de température entre la surface et la profondeur océaniques sous les tropiques • Peut générer de l’électricité de manière continue à l’inverse d’autres sources d’énergie renouvelable • Jules Verne • Arsène D'Arsonval • Georges Claude • James Hilbert Anderson • La crise pétrolière de 1973 relance la recherche.

41. La première centrale d’ETM en cycle fermé de NELHA (50 kW)

42. Centrale de 210 kW en cycle ouvert de Keahole Point, Hawaï

43. Usine flottante Sagar Shakti, coopération indo-japonaise, 2000

44. Conditions d’implantation • Installation au niveau de la mer • En bord de mer • Fonds océanique en descente abrupte • Canalisations profondes • Tout ceci n’est possible que dans une zone allant du tropique du Cancer au tropique du Capricorne, c'est-à-dire entre 25° N et 25° S de latitude.

45. Les techniques • Fluide de travail • Le circuit du fluide • Les besoins en eau • Les besoins en température • À ce jour, il existe trois types de centrales ETM: • cycle ouvert • cycle fermé • cycle hybride

46. Le cycle ouvert • Pompage de l’eau chaude de surface • On l’introduit dans un évaporateur qui sera mis sous vide, pour favoriser l’effet d’évaporation. • La faible pression générée par la vapeur suffit à entraîner un turbogénérateur qui produira l’électricité. • La vapeur est condensée en eau douce au contact de l’eau froide, et pourra être utilisée à la consommation.

47. Le cycle fermé de Rankine • Même matériel qu’une pompe à chaleur (évaporateur, condenseur), mais l’ETM utilise le procédé inverse : l’énergie thermique produit une énergie électrique • On utilise donc toujours l’eau chaude de surface qu’on met dans l’évaporateur. D’un côté, il y a l’eau et de l’autre de l’ammoniac NH3 qui s’évapore (température d’évaporation < à celle de l’eau). • L’eau passée dans l’évaporateur retourne à la mer, à la température de 23 °C. • NH3 évaporé passe dans un turbogénérateur pour produire de l’électricité. • Puis NH3 passe dans un condenseur, et transfère ses calories à l’eau froide puisée en profondeur à 5 °C, pour y retourner à 9 °C. Une fois condensé, NH3 revient dans l’évaporateur.

48. Remarques sur les cycles • Le cycle hybride permet de produire de l’eau douce avec un circuit ammoniac. • Dans le cycle ouvert • Dans le cycle fermé • Dans le cycle hybride

49. Le rendement • Dans le cas d'une ETM, le rendement s'exprime donc par : • r = W(turbine)/[Q(evap)+W(pompe du fluide de travail)] • Le rendement maximal que l'on puisse obtenir est le rendement de Carnot = 1 – Tf/Tc • Ainsi, Tf = 5 °C = 278 K et Tc = 25 °C = 298 K, on obtient r(Carnot) = 6.7% en cycle fermé. • Avec des panneaux solaires, Tc = 50°C, soit 323 K, et r(Carnot) = 13,9% en cycle fermé. • Ce rendement est bien pauvre comparé au rendement des machines thermiques à énergie fossile (40% pour une turbine à gaz naturel). • De plus ne prend pas en compte le travail de pompage. • Le rendement croît • Avec la puissance de l’usine • Avec le cycle utilisé (mieux en cycle fermé) • Avec la différence de température

50. Les impacts • Environnementaux : chlore? • Thermiques : négligeable • Biologiques : plutôt favorables… • Atmosphériques : CO2? • Au final : impact insignifiant!