Energie des mers
- Introduction aux énergies marines
- Les énergies marines
- Énergie marémotrice
- Hydrolienne
- Énergie des vagues
- Énergie maréthermique
- Énergie osmotique
Les mouvements de la mer sont une source inépuisable d'énergie :
L'énergie marémotrice.
La houle (le mouvement des vagues), la
marée et les courants marins pourraient fournir de l'électricité pour de
nombreuses villes et villages des bords de mer.
Introduction aux énergies marines
L’océan est un vaste réservoir d’énergie. Sous des formes diverses,
cette énergie se manifeste par des phénomènes naturels dont la puissance
a fasciné les hommes depuis très longtemps. Dès l’Antiquité, ils ont su
utiliser les vents et les courants pour mouvoir leurs navires, et le
flux des marées pour actionner leurs moulins. Au début de l’ère
industrielle, ils ont conçu des machines utilisant l’énergie mécanique
des vagues et la chaleur des eaux de l’océan pour servir leur industrie.
L’abondance relative et le faible coût, en termes financiers, de
l’énergie produite par la combustion du charbon, puis du pétrole et du
gaz, n’en a pas permis le développement.
Aujourd’hui, avec le constat de l’inadaptation de nos modes de
production dits «traditionnels» aux exigences du développement durable,
ces «Énergies Marines» renouvelables suscitent un regain d’intérêt et un
consensus international semble établi selon lequel elles pourraient
contribuer à satisfaire nos besoins en énergie primaire.
La valeur de référence de ces besoins est celle de la consommation
mondiale actuelle d’énergie primaire, soit 10
milliards de tonnes d’équivalent pétrole par an (10 Gtoe/a) ou
120 000 TWh/a)
Les énergies marines
Les phénomènes marins susceptibles
d’être utilisés pour produire de l’énergie sont nombreux. On se limitera
ici à l’examen de ceux dont l’expérimentation a atteint le stade de la
démonstration technique in situ à des échelles extrapolables jusqu’à
plusieurs millions de watts (MW) et pour lesquels on dispose
d’estimations de coûts de production réputés acceptables économiquement
à plus ou moins long terme.
Le critère d’acceptabilité économique
auquel on fait ici allusion est d’autant plus flou que l’évolution des
coûts de l’énergie, à 20 où 50 ans, est très incertaine. Cette évolution
dépend non seulement de celle des coûts de combustibles mais aussi du
changement de la structure même des coûts de production avec
l’introduction de taxes nouvelles et la prise en compte de coûts
aujourd’hui «externalisés ».
Les phénomènes et les procédés de
conversion retenus sont :
-
la marée avec les procédés du type «la Rance» et du type «hydroliennes» ,
-
le vent avec les éoliennes «en mer»,
-
la houle avec les « houlomotrices »,
-
la circulation générale des masses d’eaux avec le procédé « ETM - Energie Thermique des Mers ».
À l’exception des marées qui résultent
de l’action de forces gravitationnelles tous ces phénomènes sont les
résultats d’échanges d’énergie et de matière - de l’eau notamment sous
ses trois formes : liquide, vapeur et glace - entre les masses d’eau
océanique, l’atmosphère et les terres émergées. L’ETM puise dans la
chaleur stockée dans l’eau de surface de l’océan tropical. Les éoliennes
et les houlomotrices puisent dans le flux commun de l’énergie mécanique
exprimée par le vent dont la source primaire est la même que celle de
l’ETM :
C’est l’apport thermique du Soleil à la planète Terre.
Les technologies développées pour l’exploitation de ces phénomènes sont par nature réputées non polluantes dans la mesure où elles n’introduisent dans la biosphère ni énergie, ni composants chimiques nouveau ; elles n’impliquent que des perturbations des flux naturels d’énergie et de matière, des emprises sur le domaine maritime, des contraintes pour la navigation et d’autres nuisances, visuelles, voire auditives. La connaissance des effets de toutes ces perturbations, contraintes et nuisances est encore insuffisante pour évaluer avec précision les limites d’acceptabilité environnementale et sociale de l’exploitation de ces ressources. On ne pourra donc en tenir compte que de façon très incomplète dans ce premier essai.
Énergie marémotrice
L'énergie marémotrice est issue du
mouvement de l'eau créé par les marées, causées par l'effet conjugué des
forces de gravitation de la Lune et du Soleil. Elle est utilisée soit
sous forme d'énergie potentielle - l'élévation du niveau de la mer, soit
sous forme d'énergie cinétique - les courants de marée.
Usine marémotrice Annapolis
Royal, Nova Scotia, Canada
L'énergie marémotrice n'est pas
neuve : les premiers moulins à marée ont été construits au Moyen-âge en
Bretagne.
Principe
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Le phénomène de marée est dû au
différentiel de temps de rotation entre la Terre (24 heures) et la Lune
(28 jours) qui est donc relativement fixe par rapport à celle-ci. Il
s'ensuit que le globe terrestre tourne à l'intérieur d'un globe d'eau de
mer allongé dans les deux sens par l'attraction lunaire. On peut
utiliser cette énergie de rotation, ce qui a pour effet (dans des
proportions infimes, bien que définitives) de ralentir la Terre et
d'éloigner la Lune pour des raisons de conservation du moment cinétique
de l'ensemble.
L'énergie dite marémotrice constitue
donc une récupération de l'énergie cinétique de rotation de la Terre.
L'énergie correspondante peut être
captée sous deux formes :
Les sites adaptés au captage de
l'énergie marémotrice sont peu nombreux ; ils se concentrent dans les
régions où, du fait notamment des conditions hydrodynamiques,
l'amplitude de l'onde de marée (inférieure au mètre loin des côtes) est
amplifiée : c'est notamment le cas en France dans la Baie du
Mont-Saint-Michel, près de laquelle se trouve l'usine de la Rance et au
Canada dans la Baie de Fundy où le marnage dépasse 10 mètres, ce qui
génère des courants de marée intenses pouvant dépasser 5 nœuds, soit
près de 10 km/h.
L'exploitation optimale de l'énergie
potentielle nécessite des aménagements importants, qui modifient
notablement les équilibres écologiques dans des zones généralement
fragiles ; il est probable que cette voie ne sera plus guère exploitée à
l'avenir et que l'usine de la Rance restera une expérience isolée.
Le captage de l'énergie cinétique des
courants de marée est actuellement prospecté ; pour être exploitables,
les courants doivent dépasser 3 nœuds sur des durées notables. |
Principe d'une usine marémotrice |
Hydrolienne
Une hydrolienne est une turbine
sous-marine qui utilise l'énergie cinétique des courants marins, comme
une éolienne utilise l'énergie cinétique de l'air.
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La turbine de l'hydrolienne permet la
transformation de l'énergie hydraulique en énergie mécanique, qui est
alors transformée en énergie électrique par un alternateur.
Avantages et Inconvénients
Avantages : En
utilisant l'énergie marémotrice, les hydroliennes exploitent une énergie
inépuisable , non polluante (tout comme le vent avec les éoliennes), et
prédictible (des modèles permettent de prédire avec précision les
courants de marée en un lieu donné).
Inconvénients : Il y
a par contre des inconvénients pour la maintenance. Au niveau de
l'accessibilité, certaines hydroliennes sont munies d'un pied qui
dépasse de l'eau. Il peut aussi y avoir des perturbations d'importance
mineure pour la sédimentation et les poissons.
Énergie des vagues
L'énergie des vagues est une énergie
marine utilisant la puissance du mouvement des vagues.
La faisabilité de son exploitation a
été étudiée, en particulier en Angleterre : le système couplé à des
dispositifs flottants ou des ballons déplacés par des vagues dans une
structure en béton en forme d'entonnoir, produirait de l'électricité.
Les nombreux problèmes pratiques ont contrarié les différents projets.
Depuis 2003, le laboratoire de
mécanique des fluides de l'École centrale de Nantes et le département
mécatronique de l'École normale supérieure de Cachan développent
cependant un système appelé Searev qui utilise l'énergie de la houle.
L'appareil ressemble à un petit sous-marin et sera immergé à une dizaine
de kilomètres des côtes. Il serait capable de fournir bientôt (2006) de
l'électricité pour 200 foyers.
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Énergie maréthermique
L'énergie maréthermique (ou énergie
thermique des mers - ETM) est produite en exploitant la différence de
température entre les eaux superficielles et les eaux profondes des
océans. Un acronyme souvent rencontré est OTEC, pour Ocean thermal
energy conversion.
Principe
En raison de la surface qu'occupent
les mers et les océans de la Terre, ils se comportent comme un
gigantesque capteur pour :
-
le rayonnement solaire (direct : flux solaire absorbé par l'océan ou indirect : rayonnement de la Terre réfléchi par l'atmosphère terrestre) l'énergie du vent (elle-même dérivée de l'énergie solaire)
Bien qu'une partie de cette énergie
soit dissipée (courants, houle, frottements, etc..) une grande partie
réchauffe les couches supérieures de l'océan. C'est ainsi qu'à la
surface, grâce à l'énergie solaire, la température de l'eau est élevée
(elle peut dépasser les 25°C en zone intertropicale) et; en profondeur
privée du rayonnement solaire, l'eau est froide (aux alentours de 2 à 4
°C, sauf dans les mers fermées, comme la Méditerranée, dont le plancher
ne peut être "tapissé" par les "bouffées" d'eaux froides polaires qui
"plongent", au nord et au sud de l'océan Atlantique, avec un débit total
moyen de 25 millions de m3/seconde.
De plus, les couches froides ne se
mélangent pas aux couches chaudes. En effet, la densité volumique de
l'eau s'accroît lorsque la température diminue ce qui empêche les eaux
profondes de se mélanger et de se réchauffer.
Cette différence de température peut
être exploitée par une machine thermique. Cette dernière ayant besoin
d'une source froide et d'une source chaude pour produire de l'énergie,
utilise respectivement l'eau venant des profondeurs et l'eau de surface
comme sources.
Énergie osmotique
Il est théoriquement possible
d'extraire de l'énergie au voisinage des estuaires (où l'eau douce des
cours d'eau se mélange avec l'eau salée de la mer), en exploitant le
phénomène d'osmose : si de l’eau douce et de l’eau salée sont séparées
par une membrane semi-perméable, l’eau douce migre à travers la
membrane.
Si le réservoir contenant l’eau salée est à une pression supérieure à
celle de l’eau douce, l’eau douce migre vers l’eau salée tant que la
différence de pression n’excède pas une valeur limite (limite théorique
avec l'eau de mer : 2,7 MPa, soit 27 bars) ; la surpression ainsi créée
peut être utilisée pour actionner une turbine. Dans la pratique, on
envisage d'opérer avec une surpression de 1 MPa (10 bars) ; un débit
d’eau douce de 1 m3∙s-1 générerait alors 1 MW.
Une autre possibilité consiste à
utiliser des membranes qui ne laissent passer qu'un type d'ions
(positifs ou négatifs) : on peut alors produire directement de
l'électricité.
L'impact sur l'environnement est en
principe nul, puisque le mélange se serait fait naturellement.
Dans l’état actuel de la technologie, la surface de membrane nécessaire
est de 200 000 à 250 000 m2 par Mégawatt ; la réalisation de ces
membranes est une des difficultés pour le développement de cette
technique.