Protégeons la Terre


   Juil 01

Energie des mers


L’énergie venant de la mer…

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.

Photo d'une centrale marémotrice

Centrale marémotrice

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

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 :

  • énergie potentielle (en exploitant les variations du niveau de la mer) : c’est la technique utilisée dans l’usine marémotrice de la Rance
  • énergie cinétique (en exploitant les courants de marée, qui peuvent être captés par des turbines, ou hydroliennes).

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 centrale marémotrice

Principe d’une centrale 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.

Schéma d'hydroliennes

Hydroliennes

Turbines sous-marine de type “moulin à vent”

Turbines sous-marine

Hydrolienne: l'éolienne des mers

Hydrolienne

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.

Principe du projet limpet

Principe du projet limpet

Projet Limpet

Projet Limpet

Projet Limpet

Projet Limpet

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.