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L’ENERGIE MARINE (Fiche N° 44)

Introduction

Les pays de l’Union européenne se sont engagés à ce que l’ensemble des énergies renouvelables représente en 2020 au moins 20% de leur consommation énergétique. En France, ces objectifs conduiront à doubler la part actuelle des énergies renouvelables non émettrice de gaz à effet de serre. Dans ce contexte, la mer possède un potentiel énergétique actuellement peu exploité qui se doit de participer à cette ambition.

Les techniques développées à ce jour relèvent essentiellement du domaine de la recherche. Certaines font déjà l’objet de développements semi-industriels encourageants et les prochaines années devraient voir la part de l’énergie électrique d’origine marine décoller. Ce secteur quasiment vierge a un vaste espace pour se développer près des côtes de l'Atlantique et de la mer du Nord, pour ce qui concerne les pays Européens.

Cette fiche se propose de présenter les principaux types d’énergie marine actuellement développés :

·       L’énergie houlomotrice fournie par les vagues,

·       L’énergie des marées qui peut être captée de deux manières différentes :

§  Soit en exploitant les variations du niveau de la mer : c'est la technique utilisée dans les usines marémotrices,

§  Soit en exploitant les courants de marée, qui peuvent être captés par des turbines ou « hydroliennes ».

·       L’énergie thermique, en utilisant la différence de température entre l’eau de surface et l’eau profonde.

Dans ce qui suit, pour faciliter la lecture, nous exprimerons les puissances en MW et les énergies en MW.h  ou en TWh (1 million de MWh).

L’énergie marine dans le contexte énergetique Français

Selon le Commissariat général au développement durable, la France produit environ 1,3 à 1,4 millions de TWh d’électricité, dont 12% d’hydroélectricité et 2 % à partir d’éoliennes.

C’est au travers du développement d’énergies renouvelables et faiblement productrices de gaz à effet de serre qu’il faut s’orienter pour participer pleinement au projet européen. L’énergie marine se place dans ce bon créneau et il est intéressant d’en esquisser ses potentiels techniques, économiques et environnementaux, bien qu’aujourd’hui elle ne contribue qu’à 0,4% de la production hydraulique française avec l’usine de la Rance.

L’ordre de grandeur de l'énergie mondialement dissipée annuellement par les seuls courants de marée est évalué à plus de 20 millions de TWh. En ce qui concerne la France, métropole, et territoires sous juridiction française, la surface totale des zones maritimes dépasse largement les 10 millions de km2 et représente un potentiel de 3.000 MW soit 27 TWh par an. Selon une étude « réaliste » de EDF-LNHE, les ressources de la France métropolitaine sont de l’ordre de la dizaine TWh par an. Ces chiffres varieront certainement du fait des limites physiques et technologiques et des contraintes environnementales. Au vu de ces chiffres, l’énergie marine ne pourra être que d’un faible apport à la demande, mais elle pourrait apporter des solutions viables dans des conjonctures locales, comme en Bretagne où le rapport consommation/production d’énergie électrique est très déficitaire (la production totale d’électricité représente 8,5 % de sa consommation en 2010).

En Europe, les pays qui bordent la façade Atlantique, comme l’Angleterre et l’Irlande, possèdent aussi un potentiel intéressant.

L’énergie des vagues (energie houlomotrice)

La puissance des vagues est une forme concentrée de l’énergie du vent, elle-même issue de l’énergie solaire. On chiffre généralement cette puissance en kW par mètre de front de vague (kW/m). Une houle de 7 à 10 s de période ayant une amplitude de 2 m transporte en pleine mer un flux de puissance de 40 à 50 kW/m.

En moyenne annuelle, sur les côtes de l’Atlantique la puissance disponible n’est que de 25 kW/m et de 4 à 11 kW/m en Méditerranée.

Dans ces conditions, l’énergie houlomotrice est susceptible de permettre d’approvisionner de petites unités urbaines. Plusieurs modules peuvent être regroupés en unités de production sur de grandes surfaces avec un objectif raisonnable de l’ordre de 30 MW/km2.

Depuis une trentaine d’années, des systèmes de première génération ont été testés dans divers pays (Japon, Inde, Portugal, Royaume-Uni, Norvège). Le plus performant est le système LIMPET(Land Installed Marine Powered Energy Transformer) qui utilise les variations de la hauteur de l’eau, propulsée par les vagues entrantes dans un tuyau incliné et qui agit comme un piston alternatif, pour créer une énergie pneumatique alimentant une turbine à air. L’installation est optimisée pour une amplitude de 7 m des vagues dans le tuyau (Fig 1).

 


 

 

 

 

 

            Fig 1 Principe du système LIMPET                             Fig 2  Le système Pélamis testé au Portugal

 

Les systèmes de seconde génération sont des installations au large bien qu’il soit préférable de localiser ces installations pas trop loin de la côte pour des questions de coût du câblage sous-marin et des ancrages.

L’exemple le plus représentatif à ce jour en est le projet Pelamis de Ocean Power Delivery Ltd (fig. 2) dont un module de 0,75 MW de puissance crête a été raccordé au réseau en août 2004. La puissance moyenne annuelle espérée serait de 0,3 MW. Un projet français (SEAREV) est proposé par l’École Centrale de Nantes et le CNRS  pourrait être implanté au large de l’île d’Yeu (Fig 3).

Coté avantages, l’impact visuel et environnemental est plus faible que celui de l’éolien. La technologie robuste utilisée permet des durées de fonctionnement importantes voisines de 4000 h/an. Côté inconvénients, des points techniquement durs devront être résolus, tel que l’influence des irrégularités de la houle sur les rendements et la surcharge structurelle, permettant au système de résister aux ouragans (100 fois le poids normal). Enfin la force des vagues dépend du vent qui est a priori aléatoire, l’énergie produite peu être prévisible mais, n’est pas constante.

Actuellement les coûts de production varient entre 50 à 100 € le MWh, ce qui est proche des autres énergies renouvelables et le coût d’investissement est également comparable (1000 à 3000 €/kW, selon la technologie et les conditions locales), mais le taux de disponibilité devrait avoisiner les 50% (20% pour l’éolien).

 

 

 

 

 

 

 

 

 


    fig. 3 : Principe du projet              Fig 4 Le moulin à marée                   fig. 5 Le barrage de la Rance 

                SEAREV                                        de l’île Bréhat  

 

 

 

 

L’énergie marémotrice dans les estuaires

L'énergie marémotrice a été utilisée depuis fort longtemps (fig. 4) Les premiers « moulins à marée » ont été construits au Moyen-Âge dans la région de Londres. Les sites adaptés à cette technique sont peu nombreux ; ils se concentrent dans les régions où, du fait notamment des conditions hydrodynamiques, l'onde de marée (inférieure au mètre loin des côtes) est amplifiée avec un marnage (différence de hauteur d'eau mesurée entre les

niveaux de pleine mer et de basse mer consécutives) de 7 à 10 mètres. C'est notamment le cas dans l’estuaire de la Rance (fig 5).

 

Le Canada a de son côté identifié 190 sites, dont la Baie de Fundy, avec une puissance potentielle totale estimée autour de 40 000 MW, ce qui assurerait près des 2/3 de la demande canadienne actuelle en électricité.

A chaque marée, on stocke le flux de la marée en fermant un barrage établi au travers d’une baie ou d’un estuaire pour utiliser l’énergie potentielle créée par le marnage, comme dans un barrage classique. Les turbines fonctionnent au flux et au reflux.

Les travaux du barrage de la Rance, dans la Baie du Mont St Michel, ont démarré en 1961, et le chantier de l'usine fut définitivement achevé en 1966. Depuis son raccordement au réseau en 1967, l'usine de la Rance dispose de 24 « groupes bulbes » possédant chacun un alternateur de 10 MW, soit une puissance de crête de 240 MW (la puissance moyenne utile est de 60 MW, soit un taux de disponibilité de 25%).

L'exploitation optimale de l'énergie marémotrice nécessite des infrastructures importantes, qui peuvent modifier notablement les équilibres écologiques dans des zones généralement fragiles. Les coûts de maintenance sont aussi relativement élevés.

L’usine marémotrice de la Rance est la principale source d'électricité de la Bretagne. C’est un des premiers programmes d’énergie marine mené à son terme, ce qui permet de faire un bilan sérieux de son fonctionnement. Le taux de disponibilité de l’installation est d’environ 25 %, taux qui est lié à la périodicité et à l’amplitude des marées. L'usine produit 0,5 à 0,6 TWh par an, pour une durée de fonctionnement  nominal de 2000 à 2500 heures par an. Son coût de production est de l’ordre de 100 € le MWh.

D’aucuns envisagent de créer artificiellement en pleine mer des réservoirs d’eau sous forme de lagons artificiels avec un fonctionnement identique aux usines marémotrices. Ces grands bassins seraient créés en construisant des murs sur le plateau continental, là où l'eau est peu profonde et avec un fort marnage. Le Royaume Uni a sélectionné deux sites, l’un à Blackpool sur la côte Ouest, et l’autre à Washington sur la côte Est. Avec une surface totale de 800 km2, la puissance crête  serait de 3.500 MW. Les impacts environnementaux de telles installations doivent être étudiés très sérieusement.

L’énergie des courants de marée : les hydroliennes

Le phénomène des marées se traduit par des déplacements de quantités d’eau considérables et les courants engendrés véhiculent des énergies énormes. Ces courants peuvent faire tourner des « éoliennes » sous-marines, les hydroliennes, qui obéissent aux même lois physiques : Leur puissance est proportionnelle à la masse volumique du fluide et au cube de la vitesse de ce fluide au travers des pales. L’utilisation de l’eau, de masse volumique 830 fois supérieure à celle de l’air, fait que les hydroliennes sont plus performantes que les éoliennes. Avec une vitesse de courant de 3 m/s la puissance délivrée est de l’ordre de 4 kW par m² de surface active soit, avec un diamètre des pales de 12 à 13 m, des puissances crêtes de 2 MW et une énergie moyenne de près de 8 TWh/an.

Le potentiel européen utilisable est, selon les différentes études, estimé autour 14.000 MW. La Grande-Bretagne possède le plus important potentiel avec près de 10.000 MW. D'après EDF, la France viendrait en deuxième position avec 3.000 MW « installables », répartis entre la Bretagne et le Cotentin avec La Chaussée de Sein (3m/s), le Fromveur à Ouessant (4m/s), les Héaux de Bréhat, le Cap Fréhel (2m/s), le Raz Blanchard (5m/s).

Ces courants rapides n’existent qu’à faibles profondeurs et à proximité des côtes. Les machines sont donc de taille modeste (rotors de 10 à 20 m de diamètre maximum). Il est avantageux de profiter d’un site favorable pour multiplier le nombre de turbines en créant un ensemble aménagé cohérent.

Une technique largement développée est l’utilisation d’une turbine à axe horizontal avec des pales verticales. Trois sociétés européennes utilisent ce principe, deux Anglaises avec Marine Current Turbine (MCT) et Tidal Stream et une française avec Hydrohelix Energie.

 

 

·        Depuis 2003, le projet Seaflow utilise deux turbines jumelles montées sur des piles de 3 à 4 m de diamètres et supportant chacune deux hélices de 8 m de diamètre qui produisent une puissance de 300 kW avec un courant de 2,5 m/s.

·       En 2008, une installation test SeaGen (fig. 6) avec la même conception est installée à Stangford Lough en Irlande du Nord. Elle développe une puissance de 1,2 MW pour des courants de 2,4 m/s avec une durée de fonction­nement qui dépasse les 20 heures par jours.

Jusqu’à présent ce prototype a livré plus de 800 MWh au réseau électrique Irlandais.

·       Basée sur la même technologie, deux projets sont en cours de lancement le premier comporte un ensemble de 7 machines de 1,5 MW, chacune sera implantée dans l’île galloise de Anglesey et sera opérationnelle en 2011. Le second sera un ensemble de 66 éléments sur une surface de 4,3 km² et sera implantée près des îles Orkney en 2017. Cet ensemble devrait générer une puissance moyenne de 100 MW et pourrait satisfaire les besoins d’une ville moyenne de 100.000 foyers.

 

 

 

 

 

 

 


Fig 6 : Le projet SeaGen , prototype  de MTC de 1.2 MW                 fig. 7 Prototype Sabella 200 kW  

 

Fig 9 :
 
La Bretagne a aussi investi dans les hydroliennes avec le projet Sabella. Un prototype, de la société Hydrohelix Energie, qui utilise des rotors de 3 m de diamètre a été immergé dans l'estuaire de l'Odet par 19 mètres de fond (fig. 7). Il a produit des puissances de 10 à 80 kW selon les vitesses des courants. Un nouveau projet de plus grande ampleur prévoit un ensemble de 5 turbines de 10 m de diamètre générant une puissance maxi de 1,5 à 2,5 MW chacune (fig. 8).

 

 

 

 

 

 

 


  fig. 8 : Le projet Sabella 10

 

 

EDF s’intéresse depuis peu à l’énergie marine et des études de faisabilité sont effectuées pour différents sites à forts courants de la Manche. On peut citer celles du Raz Blanchard à la pointe du Cotentin. Du fait de l’échelon­nement des cycles de marée pour chaque site, la figure 9 recale dans le temps la somme des puissances produites pour l’ensemble des trois sites actuellement envisagés.

De nombreux autres programmes sont en cours d’essais de par le monde. Ces différentes études font apparaître des avantages certains :

§  Les courants marins sont prévisibles, on peut donc estimer avec précision la production d'électricité et les taux de production semble être supérieurs à ceux des éoliennes.

§  Globalement, le potentiel énergétique des courants marins est relativement important. Actuellement seuls des espaces restreints à des courants de marée élevés sont aménagés.

§  L’hydrolienne utilise une énergie renouvelable et elle ne pollue pas.

§  Les hydroliennes sont 25 à 30 fois plus petites que les éoliennes à puissance fournie égale.

§  La vie sous-marine est paisible, il n'y a pas de tempêtes. Les turbines sous-marines, n'exigeront pas, en fonctionnement normal, des facteurs de sécurité élevés dans leur conception et leurs infrastructures. Elles devront néanmoins résister à la houle superficielle pendant les maintenances.

§  Ancrées dans des zones à très fort courants, les champs d’hydroliennes sont implantés hors des zones de pêche en haute mer. Ils ne devraient pas être une gêne pour les professionnels.

Ces mêmes études révèlent aussi un certain nombre d’inconvénients qui devront être réduits à un niveau « acceptable » :

§  Les hydroliennes créent des turbulences, qui peuvent modifier la sédimentation et avoir des effets sur la flore et faune.

§  Des poissons ou mammifères marins peuvent heurter les hélices. Ces dernières peuvent être conçues pour tourner très lentement et minimiser ces effets.

§  Pour éviter le développement des algues et le dépôt d’organismes, il faut utiliser un antifongique comme sur les bateaux. Ce produit doit être appliqué régulièrement, ce qui induit un coût d'entretien important et de la pollution.

§  Dans les eaux turbides du fait de la présence de sable en suspension (Pas de Calais, par exemple), l’érosion par le sable des pales d’hélice est très forte. L’entretien doit être fréquent et il est très sensiblement plus compliqué qu’à l’air. Pour cette raison, certaines hydroliennes ont leurs structures mobiles émergeant de l’eau.

§  Il faut penser à acheminer le courant électrique du fond des mers jusqu’à la terre. Cela représente un surcoût non négligeable suivant les sites envisagés (comme pour les éoliennes au large).

Actuellement, les coûts de production électrique sont de l’ordre de 45 €/MWh, soit un niveau comparable aux estimations faites pour les éoliennes terrestres ou au large des cotes. En moyenne, le coût d'installation d'une hydrolienne est de 3,8 M€/MWinstallé, à comparer au 2,8 M€ pour une éolienne (une unité du projet Sabella-10 implique une levée de fond de 7 M€). Ce coût élevé d'investissement, associé à un tarif d'achat de l'électricité qui pourrait à terme n’être plus subventionné, peut pour l'instant faire reculer les investisseurs.

L’Energie thermique des mers ou oceanothermie

Dans toute la zone intertropicale la température de l’eau de l’océan reste uniformément proche de 4°C à 1000 mètres de profondeur alors qu’en surface elle est supérieure à 20°C. Ce phénomène naturel peut être utilisé pour produire de l’énergie suivant le principe des pompes à chaleur. Si on prend en compte les masses d’eau mises en jeu, le potentiel énergétique est énorme. Néanmoins, du fait de la faible différence de température entre les sources chaude et froide, le rendement thermodynamique est très faible (3 à 4 %). Pour produire plus qu’elles ne consomment, ces installations doivent donc brasser des quantités d’eaux très importantes de plusieurs m3/s par MW produit.  Elles devront aussi résister aux tempêtes tropicales.

Il est difficile d’avancer des chiffres compte tenu du faible degré d’avancement de cette filière. Les coûts d’investissement objectifs vont de 4500 à 6000 € par kW installé.

conclusion

Nous avons tenté de résumer les différentes possibilités dans l’exploitation énergétique des océans. Avec un potentiel énergétique relativement modeste, nous avons vu que ces filières ont des atouts à faire valoir. Cependant, elles n’ont jusqu’à présent, jamais vraiment décollé.

Avec le regain d’intérêt pour les énergies renouvelables non émettrices de GES, la donne commence à changer. Le développement de la filière marine semble suivre, avec un certain décalage, la même évolution que sa cousine l’éolienne avec une problématique sensiblement identique (rentabilité, pérennité à moyen et long terme, …), même si elle possède un certain nombre d’atouts que n’a pas sa cousine.

Il parait évident qu’elle ne peut prétendre à devenir une énergie primaire majeure comme l’est le nucléaire, mais par un développement raisonné, elle pourrait constituer localement (par exemple en Bretagne) un apport dans la constitution du mélange énergétique du futur. Pour être accepté, le développement de ces filières devra se faire dans le respect du milieu marin et en y intégrant ses différents acteurs. 

 

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