L’énergie de la mer : un gisement potentiel gigantesque et renouvelable

Publié le par Bienvenue dans le blog de djibaba.ingenieur

La production de l’énergie marine intéresse l’Europe. Les projets les plus aboutis et les plus ambitieux sont d’ailleurs européens.

On peut distinguer 5 filières énergétiques possibles lié à la mer :
- l’énergie houlomotrice, celle des des vagues,
- l’énergie hydrolienne, celle des courants,
- l’énergie marémotrice, celle des marées,
- l’énergie de la biomasse algale
- l’énergie thermique des mers
- l’énergie liée aux gradients de salinité

Parmi ces énergies, certaines sont parfaitement prédictibles dans leur rendement, c’est le cas par exemple de celle provenant des marées, ou celle des courants, etc.. d’autres comme celle des vagues l’est moins car les conditions météorologiques peuvent influer le rendement espéré.

Les obstacles à lever seront importants et l’exploitation "hydrolienne" ne peut réellement s’envisager avant 2010-2015.

La compétitivité de cette énergie devra d’abord être démontrée, c’est à dire que les promoteurs devront avoir la garantie d’un retour assez rapide des lourds investissements qui seront nécessaires. Sur le plan technique, il sera nécessaire de trouver des solutions fiables aux risques importants de corrosion et de détérioration par la mer. La mer ne fait pas de cadeaux, elle fera le tri entre tous ces projets.


Un potentiel énergétique immense

Le gisement d’ énergie lié à l’utilisation de la marée représente un potentiel énergétique théorique impressionnant, il est estimé à 10 000 Méga Watt sur le plan national.

Comme toutes les énergies renouvelables, cette énergie est sans limite de consommation. Certains pensent même que la "houille bleue pourrait bientôt devenir la plus grande et la plus sûre des ressources d’ énergie de la planète". L’intérêt majeur d’utiliser courants, marnage (voir une petite vidéo sur l’utilisation des courants de marées) ou vagues, est qu’ils sont largement prévisibles car se répétant avec une constance calculable.

Concernant l’énergie provenant des vagues, on sait qu’elle est concentrée entre les latitudes 40° et 60°.

Le potentiel mondial est énorme entre 1,3 et 2 Terawatts (1 Terawatt est égal à 1 000 milliard de Watts). Rappelons que c’est de l’ordre de la puissance mondiale électrique déjà installée (1,3 Terawatts).

En Europe, la côte nord-ouest depuis le Portugal jusqu’en Ecosse possède un potentiel énergétique parmi les plus élevés du monde. Il s’élève à 740 TWh/an, dont 12% facilement récupérables (source Systèmes Solaires).

Cette énergie marine, sous toutes ses formes, commence à susciter beaucoup d’intérêts. Colloques, rencontres, succéder. Le Groupement pour les Energies Nouvelles Marines, GENMAR, a organisé, le 5 octobre 2004, à Brest, une conférence sur les alternatives aux énergies ’’Entretiens scientifiques’’ furent entièrement consacrés à l’énergie marine.

Toujours à Brest, lors du salon « Sea Tech Week 2004 » - Semaine internationale des sciences & technologies de la mer 2004, un débat sur ces nouvelles formes de production d’énergie avait été organisé.

Mais c’est surtout en 2008, toujours dans le cadre du 6ème salon Sea Tech Week que la deuxième Conférence Internationale sur les Energies Marines renouvelables (ICOE 2008), qui s’est déroulée, du 15 au 17 octobre 2008, à Brest, a permis de dresser un panorama complet des énergies marines renouvelables. - lire l’article "Les énergies marines renouvelables, nouvelles venues, dans le paysage énergétique" ;
- voir le blog blogspot.com spécialisé, réactualisé chaque semaine, avec aussi la présentation de la prochaine exposition présentée début 2008 sur
"Les énergies de la mer : l’or bleu"

- voir aussi le site des Entretiens Scientifiques (avec accès à la vidéo de l’édition 2007 sur l’Energie de la mer )

Durant ces journées il a été annoncé que dans le cadre des conférences Seatech, sera organisée par l’ADEME et Ifremer, la 2ème Conférence Internationale sur l’Energie des Mers(ICOE - International Conference on Ocean Energy), du 15 au 17 octobre 2008, toujours à Brest.

La très puissante Agence Internationale de l’Energie, « L’International Energy Agency », s’est intéressé (un peu) aux énergies de la mer et a établi un cadre pour la collaboration internationale en Recherche et Développement de technologies de l’énergie marine (démonstration et d’échange d’informations). - voir le site Ocean Energy Systems.


L’Europe leader

Actuellement, la consommation énergétique de l’UE repose sur le pétrole à 41%, puis sur le gaz (23%), le charbon (15%), le nucléaire (15%) et les énergies renouvelables à hauteur de 6% seulement. La menace de changement climatique au niveau planétaire et les risques pesant sur la sécurité énergétique contraignent l’Europe à diversifier ses sources d’approvisionnement en faisant de plus en plus appel aux énergies renouvelables. Aujourd’hui l’UE veut faire passer la part des énergies renouvelables de 6% aujourd’hui à 12% d’ici à 2010. Ainsi, au titre du 6e programme-cadre de recherche (PC6 2003-2006), l’UE a consacré 810 millions € aux sources d’énergie renouvelable.

Dans ce contexte, des projets utilisant l’énergie provenant de la mer (courants, houle, marée) bénéficient déjà d’aides européennes, beaucoup d’autres devraient suivre (46 programmes recensés fin 2007- source IEA). Les Britanniques, les Norvégiens, les Espagnols et les Portugais ont de l’avance dans ce domaine.

La France représente le deuxième gisement hydrolien d’Europe, selon le protocole de Kyoto qu’elle a signé, elle s’est engagée à produire 21 % de son énergie sous forme renouvelable d’ici 2010.

Dans le reste du monde, en Europe notamment, la situation évolue nettement plus vite ; différents projets ont déjà pu être réalisés. Une liste à jour a été dressée de l’ensemble de ces projets utilisant les courants les vagues,
- voir à ce propos la liste complète sur Marine and Hydrokinectic Technology Listings

L’association European Ocean energy tente de recenser et de fédérer les initiatives.

Un pays se distingue : la Grande Bretagne, notamment, qui est en pointe .

Il est vrai que dans ce pays, île entourée par la mer de tous les côtés, le gouvernement s’ est engagé clairement en faveur de l’énergie provenant de la mer. Ce pays veut vraiment se positionner en position de leadership et veut, véritablement développer une filière industrielle complète.

Depuis 1974, de nombreuses recherches, souvent financées par le gouvernement, ont été menées dans différentes universités :

- système off-shore « Salter Duck » à l’université d’Edimbourg

- le « SEA Clam » à Coventry Polytechnic (près de Birmingham)

- colonne à oscillations (sytème on-shore) à l’Université de Belfast

- etc...

Depuis 1999, vingt-neuf millions d’euros y ont été investis dans des programmes d’énergie marine et un fonds de 61 millions d’euros sur trois ans est prévu pour aider concrètement les projets innovants. La France qui finance très peu ses projets sur son propre territoire, investit au Royaume Uni. Ainsi, « EDF » finance « Marine Current Turbines » à 25 %, Total a investi 10% de capital à la société hydrolienne Scotrenewables Marine Power et l’Ifremer participe au projet britannique Orecon pour mettre au point un convertisseur de houle.

Un atlas des ressources de l’énergie marine au Royaume Uni a été réalisé et un Centre européen d’énergie maritime (EMEC) a été installé sur l’Ile d’Orkney dans l’archipel des Orcades (nord de l’Ecosse). Il permet notamment aux entreprises de tester leurs prototypes.

C’est dans ce centre que la firme britannique Ocean Power Delivery a mis au point le convertisseur Pelamis. Pelamis se compose de quatre cylindres reliés par des articulations qui abritent un sytème de pistons convertissant l’énergie des vagues en courant électrique. L’ensemble mesure 120 mètres de long et pèse 750 tonnes. Cette centrale « houlomotrice » peut produire 750 kilowatts par heure, soit la consommation de 500 foyers. Les promoteurs de Pelamis estiment que la facade ouest de l’Ecosse représente un « gisement énergétique de plus de 21 gigawatts, de quoi couvrir les besoins énergétiques de toute la région » .

Un brevet britannique a été accordé à la compagnie australienne « Woodshed Technologies » pour un nouveau type de centrale marée motrice. Cette compagnie et deux autres compagnies australiennes, la«  Lloyd Energy Systems » et la « SMEC Developments », collaborent avec des entreprises de Grande-Bretagne pour sélectionner des sites potentiels pour l’implantation de centrales de ce type.

La technologie ( Woodshed’s Tidal Delay) utilise une formation naturelle telle qu’une péninsule ou un isthme pour séparer des masses d’eaux de mer en marées montantes et descendantes. Le système capture l’énergie qui résulte de la différence de niveau de l’eau de mer de chaque côté de la barrière. - pour en savoir plus aller, voir sur le site woodshedtechnologies.com

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Limpet

En Grande Bretagne, toujours, en Ecosse cette fois-çi, en octobre 2000, l’Île d’Islay se dote du Limpet (ci-dessus) capable de fournir 500 kW. Sa turbine est activée en 2 temps par l’air que déplacent les vagues : d’abord lorsqu’il est chassé par les vagues montantes, ensuite lorsqu’il est aspiré par les vagues descendantes (voir çi-dessous une red valve et le schéma du Limpet).

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Schéma du Limpet
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Red valve

En Ecosse encore, on peut citer aussi "L’hydrolienne à aile battante", développée par la société britannique Engineering Business, testée en 2002-03.

Toujours en Grande Bretagne, signalons, par ailleurs, que le projet SeaGen (1 MW) de«  Marine Current Turbines Ltd » (utilisant le courant de marée) est en fin de développement. « EDF Energy », la filiale britannique d’« EDF », y a investi 3 millions d’euros.

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projet SeaGen (1 MW) de Marine Current Turbines Ltd

La société « Marine Current Turbines Ltd », a signé en novembre 2007 un accord de coopération avec le canadien « BC Tidal Energy Corporation » prévoyant d’installer le système SeaGen dans les fonds marins au large de Vancouver (British Columbia). « Marine Current Turbines Ltd » et « BC Tidal Energy Corporation » prévoient d’installer trois turbines de 1,2 MW chaque dans la rivière Campbell à Vancouver d’ici à 2009. Ces trois turbines alimenteront 3000 foyers. L’objectif est à terme de produire 4000 MW, ce qui placerait ce site en première place au monde en matière de production d’énergie hydrolienne.

Enfin la société londonienne Tidalstream a mis au point une hydrolienne adaptée aux fonds profonds, c’est important parce que 90% des ressources des courants marins sont situées dans des eaux d’au moins 40 m de profondeur.

Enfin, le journal "Le Marin" nous apprend dans son édition du 15 juin 2007, que deux autres nouveaux programmes d’utilisation de l’énergie des vagues sont en projet au Royaume Uni. Dans la baie de Milford Haven, au pays de Galles, et face à Hayle, au nord de la Cornouailles. Le premier se résumant pour l’instant à une phase de test en grandeur nature, durant 4 ou 5 ans. Le second, au budget impressionnant de 42 millions d’euros sera le plus grand du monde, il s’est heurté au départ à l’hostilité des pêcheurs locaux et des surfeurs. Pour la petite histoire, signalons que les surfeurs, nombreux sur cette côte de la Cornouailles, craignant que l’équipement casse les vagues, s’étaient opposés au projet. Ils ont pu être rassurés par les conclusions de l’enquête d’un océanographe de Nouvelle-Zélande estimant que les vagues ne seraient diminuées que de 5%.

Finalement, le gouvernement britannique a donné, le 17 septembre 2007, son feu vert à ce projet de centrale électrique en mer.

La centrale prévue sera située en pleine mer, à 16 kilomètres des côtes de la Cornouailles, au large de la commune de Saint Yves. Des équipements flottant à la surface, couvrant une surface de quatre kilomètres sur deux, transformeront l’énergie produite par le mouvement des vagues en électricité. Cette électricité sera ensuite transférée à terre, via un câble sous-marin de 25 km à 40 mètres de profondeur.

Ce projet, initié par l’Agence de développement du sud-ouest de l’Angleterre, est pour l’instant qu’une étape vers une production industrielle d’électricité à partir des vagues. Quatre entreprises ont obtenu le droit de tester leur équipement, perdant cinq à dix ans, sur place.

A terme, la centrale devrait produire suffisamment d’électricité pour fournir 7 500 foyers, 3% de l’électricité de la Cornouailles, de quoi économiser 300 000 tonnes de CO2 pendant 25 ans.

Le projet va couter 41 millions d’euros. Mais, selon les calculs l’Agence de développement, cela pourrait créer 1 800 emplois et remporter 820 millions d’euros à la Cornouailles !

En Norvège, il existe une première hydrolienne de 20m de diamètre. L’’hydrolienne développée par la société norvégienne Hammerfest Strom est immergée en permanence. Elle est testée dans le détroit d’Hammerfest, au-delà du cercle polaire.

Au Danemark fonctionne le système(« Wave Dragon »). Amarré au large et pesant 237 tonnes, « Wave Dragon » récupère l’énergie produite par les vagues « déferlantes » . L’eau est initialement stockée dans un réservoir, puis circule à travers des turbines qui produisent de l’électricité.

Toujours dans le Nord de l’Europe, on peut évoquer le générateur à eau sous-marin inventé par l’ingénieur danois en génie civile Kim Nielsen. Le système est simple : un flotteur est attaché par un filin souple à un piston fixe dans un structure de béton sous-marine. Chaque vague entraîne le flotteur qui tire le piston. Ce mouvement de pompe (eau aspirée, puis rejetée) provoque un courant qui actionne la turbine d’un hydrogénérateur électrique. Ce système développé par la société « Flygt » est testé en 1989 à 1km au large du port de pêche de Hanstholm (Danemark). Une seconde unité (coût : 3,52 millions de francs) est achevée en 1992. Selon ses promoteurs, 3000 à 4000 convertisseurs de Nielsen pourraient à terme fournir 10 à 30% des besoins électriques du Danemark.

Mais c’est en Espagne que les choses évoluent le plus en ce moment. Iberdrola, la compagnie d’électricité espagnole en partenariat avec la filiale Americaine OPT (Ocean Power Technologies), a démarré la construction d’une usine pilote au large de Santona, petite bourgade a quelques kilomètres de Santander en Cantabrie. 10 bouées géantes de 16 mètres de long et 6 mètres de diamètre transformeront en courant électrique la force des vagues. Le succès de cette réalisation pourrait être rapidement suivi par la construction de plusieurs centrales du même type sur toute la côte Cantabrique et totaliser une puissance de 100 MW.

A noter que dans le pays voisin, le Portugal, existe aussi un projet bien avancé (car soutenu par le gouvernement) de ferme d’énergie des vagues. C’est une société écossaise qui est prête à créer une première usine de 3 fois 750 kilowatts au nord de Porto parce que le Portugal rachète ce type d’électricité 23 centimes du kilowatts/heure. Le site retenu est à 2 km de la côte portugaise. Trois cylindres métalliques, d’une longueur de 50 m, articulés entre-eux par des systèmes hydrauliques utilisent les mouvements des vagues pour faire fonctionner 9 générateurs situés sur le continent reliés par des câbles sous-marins. Chaque cylindre est amarré au fond, grâce à 4 ancres d’un poids de 7,5 t. C’est la société britannique OPD (Offshore power development) qui a mis au point ce système utilisé aussi en Ecosse. Le système est supposé capable d’affronter des vagues de 25 m de haut.

En Italie, il existe un projet Enermar qui vise à exploiter l’énergie contenue dans les courants marins grâce à l’utilisation d’une turbine brevetée innovante Kobold Enermar - Ponte di Archimede, testé dans le détroit de Messine.

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Enermar

En Belgique, un projet d’hydrolienne est porté par la SA Rutten à Herstal.

Hors d’Europe, les choses s’accélèrent aussi. Il n’est pas possible dans cet article d’évoquer toutes les autres réalisations ou projets en cours d’élaboration sur le reste de la planète, ils sont en effet nombreux, en Asie, Afrique.... Citons le projet de l’ « Ocean Energy Association Japan (OEAJ »- Japon - de répondre à 10% des besoins énergétiques du pays, à partir des énergies de la mer d’ici à 2050.

Ce challenge s’inscrit dans le droit fil des recommandations faites par l’agence gouvernementale japonaise des énergies nouvelles créée dès les années 1980 pour imaginer des solutions alternatives aux énergies fossiles. C’est en effet dès les années 1970 que le Japon inventa, entre autres, le procédé d’exploitation des vagues OWC (Oscillating Water Column), le plus couramment utilisé aujourd’hui dans le Pacifique et en particulier en Australie ou la Mighty Wale de« Jamstec » fut testée pour la première fois en 1978.

Cet engin mesure 50 mètres de long et 30 mètres de large, produit de l’électricité depuis 1998, dans la baie de Gokasho. Il a été sans cesse amélioré depuis 40 ans, on en est aujourd’hui à la troisième version. Originalité du système : ce n’est pas la force des vagues qui génère l’électricité mais les pressions et appels d’air provoqués. Le taux de conversion de cette centrale à vagues et à air comprimé est maintenant de 50 %.

Aux Etats Unis aussi, la situation évolue vite - voir la brève sur Brest-ouvert intitulée "6,5% de la demande américaine en électricité pourrait provenir de l’énergie houlomotrice"


L’énergie thermique des mers - ETM

L’Energie Thermique des Mers utilise la différence des chaleurs entre les eaux de profondeur et de surface de la mer.

L’utilisation de l’énergie thermique des mers (ETM) et ses dérivés, comme l’utilisation des eaux froides du fond, mérite que l’on s’y attarde car cette technologie est déjà bien au point. Elle est déjà en oeuvre notamment dans la zone intertropicale. La climatisation par utilisation de ces eaux est déjà une réalité et, très bientôt, un hôtel de Bora Bora, en Polynésie française, va recourir à ce procédé. Elle est connue en anglais sous le nom d’« Ocean Thermal Energy Conversion ou OTEC ».

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Ocean Thermal Energy Conversion

L’idée de base est d’utiliser la différence de températures entre les eaux tièdes de surface et les eaux froides profondes (4° degré d’écart voir 7°) pour produire de l’électricité. On cherche donc à produire de l’énergie électrique à partir de la chaleur accumulée dans l’eau chauffée par le soleil à la surface des océans tropicaux. Ce n’est pas un principe nouveau car il est connu des physiciens depuis la fin du 19ème siècle. C’est un ingénieur français Georges Claude, qui validera le principe en 1928, à Ougrée en Belgique. Il construira ensuite, en 1929, avec moult vicissitudes, une usine de production d’électricité ETM à Cuba qui le conforte dans sa démarche mais il ne trouvera pas ensuite les aides financières nécessaires pour développer la filière ETM. Une dernière aventure, au Brésil, et l’échec de son usine flottante ETM « La Tunisie », il met fin à ses recherches.

Des projets de centrales ETM, en Guadeloupe et en Côte d’Ivoire, à la fin des années 1950, furent ensuite lancés mais rapidement abandonnés. En 1982, à Tahiti, 15 millions d’euros furent investis pour l’installation d’une centrale, mais deux ans plus tard, en 1987, faute d’investisseurs supplémentaires et avec un pétrole, revenu à un prix bas, du coup trop concurrentiel, ce projet fut aussi arrêté. Ailleurs, aux USA, en Italie, en Suède, des équipes ont travaillé sur d’autres expérimentations. A Monaco, elle a même été mise en oeuvre à partir de 1998. Le principe ETM sera aussi repris et développé à partir de 1974 par le « Natural Energy Laboratory of Hawaii Authority »- NELHA - à Hawai, directement soutenu par l’Etat hawaien et avec la collaboration de sociétés américaines Lockeed, Westinghouse, l’université de Berckley, etc... La crise pétrolière qui apparait dans le début des années 70 est, alors, un élément favorable au développement des recherches sur l’ETM. La crise passée, les crédits vont se tarir, mais la nouvelle crise actuelle d’épuisement des ressources fossiles va relancer les recherches. La production associée d’algues, de poissons, de mollusques, permet une meilleure rentabilité. - pour en savoir plus voir le très bon dossier ETM sur le site www.clubdesargonautes

Les scientifiques japonais de l’université de SAGA vont encore aller plus loin dans la mise en oeuvre du principe ETM. La différence de température exploitée leur permet de produire de l’hydrogène « stocké » dans des sortes de granulés qui en absorbent jusqu’à 1000 fois leur volume. Après ils peuvent restituer ailleurs, même très loin, leur hydrogène qui, lui-même, sera alors susceptible de produire de l’électricité grâce à une pile à combustible. Des plates formes flottantes de la taille de plusieurs terrains de football dispersées sur les mers tropicales sont imaginées pour recevoir les installations de pompage nécessaires.


L’énergie de la biomasse algale

Selon M. Cadoret d’Ifremer Brest, un des meilleurs spécialistes internationaux de l’algue, les algues ou plutôt les microalgues marines de couleur rouge, verte, marron, sont très diverses. Elles ont surtout beaucoup de qualités (elles contiennent des oligoéléments, des acides gras polysaturés, des anti-oxydants, des enzymes..) et représentent un potentiel énergétique impressionnant :

- un rendement photovoltaique très élevé

- un rendement 30 fois supérieur à l’hectare supérieur à des cultures pourtant énergiques comme le colza, le tournesol, en outre par rapport à ces plantes il n’y a pas de concurrence alimentaire [(chiffres Ifremer à partir de données crédibles) le rendement est estimé à 30g/m2/jour pour les algues contre 0,9g/m2/jour pour le colza et 0,6g/m2/jour pour le tournesol. En litre d’huile extraite par hectare, on obtient : soja 446l, colza 1500l, algues : 23700l

- la maîtrise du cycle de l’azote et du phosphore est possible

- une récolte continue tout au long de l’année est possible

- la technologie est exploitable dans les pays en voie de développement.

- nombre de sous-produits sont directement valorisables :

  • en nourriture pour bétail, volaille poissons...
  • en engrais
  • en combustible

Evoquons, outre l’expérience française "Shamah" (voir l’article) consacré à l’énergie de la mer en France), aux Etats Unis, une autre expérience, nettement plus ancienne : en effet, depuis les années 50, l’université du « Massachusetts Institute of Technology » travaille sur la question des microalgues. Et depuis 2004, elle a créé la société Greenfuel, qui propose des « bioréacteurs dans lesquels la solution d’algues peut contenir jusqu’à 80 % de son poids en huile, laquelle sert ensuite de carburant après un raffinage ».

Signalons ausi que l’on a étudié l’utilisation des micro-algues dès les années 70 comme biocarburant, puis dans les années 80 pour piéger le CO2. A terme, elles pourraient, en agriculture, être utilisées pour réguler l’azote en excès et limiter le rejet des intrants.


L’énergie liée aux gradients de salinité

Le principe de l’énergie des gradients de salinité est l’exploitation de l’entropie de mélange d’eau douce avec l’eau salée.

À l’embouchure de rivières où l’eau douce se mélange à l’eau salée, l’énergie associée au gradient de salinité peut être exploitée en utilisant la pression retardée processus d’osmose inverse et les technologies associées de conversion.

Potentiellement, l’énergie est grande, elle correspond à 2,6 MW en eau douce m3 /s lorsqu’elle est mélangé avec l’eau salée, à l’échelle du potentiel exploitable, elle est estimée à 2000 TWh / an.

Plusieurs méthodes ont été proposées pour extraire cette puissance. Parmi elles, la différence de pression de vapeur entre eau douce et eau salée et la différence de gonflement entre les eaux douces et salées par des polymères organiques. Toutefois, la méthode la plus prometteuse est l’utilisation de membranes semi-perméables. L’énergie peut alors être extraite de l’eau saumâtre sous pression par pression osmotique retardés (PRO) ou directement le courant électrique par électro-dialyse inverse (RED).

Ceci dit on doit constater que, si des recherches importantes ont eu lieu de 1975 à 1985, la production d’électricité de salinité dans des pays comme le Japon, Israël et les États-Unis reste très limitée. L’utilisation des gradients de salinité comme énergie est l’une des plus importantes sources d’énergie renouvelable qui ne soit pas encore exploitée.

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