Transcript Les Energies renouvelables Part 2 : la mer

Les Energies
renouvelables
Part 2 : la mer
Incitations au voyage…
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Aujourd’hui nous allons voyager :
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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!
Introduction
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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
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l'énergie des différences de température
L’énergie des gradients de salinité dans les estuaires.
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En 2050, les besoins de l'humanité sont estimés à
16,5 GTep.
 Oubliées des budgets de R&D en France :
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0,1 % sur les 8 % du budget consacrés aux EnR (période
1987 – 2001).
Nomenklatura
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Les énergies marines incluent :
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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 :
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L’énergie solaire captée au-dessus de la mer
L’énergie fossile due à l’extraction d’hydrocarbures sous-marins
Quelques expériences
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Dans le monde, au Japon :
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En France, l’ADEME édite un outil d’aide à la
décision pour les préfectures incluant
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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).
Les obstacles physiques (écueils, amers, balisages)
Les réglementations (baignade, pêche, plaisance,
transports)
Une volonté française locale : Antifer.
Site d’Antifer à Saint-Jouin de Bruneval
Site d’Antifer
Site d’Antifer = formidable champ d’expériences
pour les énergies renouvelables marines
L’énergie marémotrice
Inadaptable à La Réunion, car
marnage insuffisant
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
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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).
Principes
Usine marémotrice d’Annapolis Royal,
Baie de Fundy, Nouvelle-Écosse,
Canada
Potentiel
 Ordre
de grandeur = 22 000 TWh = 2 Gtep
 Seule une fraction est récupérable
 Parfaitement prédictible :
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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
Quelques sites
 Sihwa
Lake, non loin de Séoul
 Au Canada, une vingtaine de sites
 Nouvelles technologies :
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Hammerfest Strom,
Îles Shetland.
La Rance
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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)
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Envasement progressif de l’estuaire
Modifications de faune
Site touristique
Barrage de La Rance
Intermezzo vidéo sur
l’usine de La Rance
L’énergie hydrolienne
Adaptable à La Réunion
Carte mondiale des courants
Principe
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
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’on
n’atteint jamais)
Schéma de fonctionnement d’une
hydrolienne
Intermezzo vidéo sur le
fonctionnement d’une
hydrolienne
Hydroliennes sous-marine
d’Hammerfest Strom
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.
Inconvénients
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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.
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.
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 :
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intensité importante
proximité de la côte
direction stable
enfin, prédictibilité
Carte des courants dans La Manche
Perspectives
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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!!!
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En France
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Tidalsteam
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 :
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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.
Illustration tirée de www.floridahydro.com
Transport d’une hydrolienne
Openhydro sur son site en mer
L’énergie houlomotrice
Ou énergie des vagues
Adaptable à La Réunion
Principe

L'énergie des vagues ou énergie houlomotrice est une
énergie utilisant la puissance du mouvement des vagues.
 Faisabilité étudiée en Angleterre :
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Depuis 2003, développement de Searev par
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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.
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
Animation sur la
machine PELAMIS
L’expérience portugaise
 Machine
Pelamis
 Composée de sections
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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 »!
Le Portugal en pointe : ferme à
vagues d’Aguçadoura
Machine Pelamis fendant une vague
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
Les fermes à vagues dans le
monde
Centrale
Pays
Puissance
Date de mise
nominale en en service
MW
Aguçadoura
Portugal
2,25
2008
Islay Limpet
Ecosse
0,5
2000
Orkney
Ecosse
2,4
2011
SDE
Israël
0,04
2009
Siadar
Ecosse
4
2011
L’énergie thermique des
mers
Ou énergie maréthermique ou OTEC =
Ocean Thermal Energy Conversion
Adaptable à La Réunion
Différences de température entre la surface
et une profondeur de 1000 m
Principes et Historique de l’ETM
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


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.
La première centrale d’ETM en
cycle fermé de NELHA (50 kW)
Centrale de 210 kW en cycle
ouvert de Keahole Point, Hawaï
Usine flottante Sagar Shakti,
coopération indo-japonaise, 2000
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.
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:
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cycle ouvert
cycle fermé
cycle hybride
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.

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.
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
Le rendement

Dans le cas d'une ETM, le rendement s'exprime donc par :
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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
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Avec la puissance de l’usine
Avec le cycle utilisé (mieux en cycle fermé)
Avec la différence de température
Les impacts
 Environnementaux
: chlore?
 Thermiques : négligeable
 Biologiques : plutôt favorables…
 Atmosphériques : CO2?
 Au
final : impact insignifiant!
NELHA : Descriptif
 NELHA =
Natural Energy Laboratory of
Hawaïan Authority
 Objectifs
 Coproductions
 Immense site avec 3 types de
canalisations
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En surface
En profondeur
• L’ancienne canalisation
• Actuellement
Site de NELHA
•Honolulu
Keahole Point
Que faire d’autre avec l’ETM?
 Eau
douce
 Réfrigération de bâtiments
 Aquaculture
 Agriculture
 Biomasse
 Rentabilisation
Une idée de ce que l’on peut faire
avec l’ETM
Autres utilisations de l’eau profonde
Une station d’ETM off shore : vue
artistique
Schéma d’une unité de traitement
d’ETM en mer
Conduites d’aération
2. Zones de vie
3. Cuve d’ammoniaque
4. Arrivée d’eau chaude
5. Relargage d’eau froide
6. Relargage d’eau chaude
7. Condensateur
8. Turbine
9. Arrivée d’eau froide
1.
Signature d’une convention entre le
CR et la DCNS le 15/10/2009
Conclusions sur l’ETM





Possibilités d’une production mondiale d’énergie d’environ 1013 watts (10
TWe) .
L’ ETM doit dépasser la perception que l’on a du coût de fabrication initial,
au regard des risques et coûts croissants des centrales à énergie fossile.
Ces obstacles seront surmontés par des expérimentations à petite échelle
et des constructions pilotes pour démontrer leur faisabilité économique.
Selon une étude du Programme de Développement des EnR des NationsUnies, la confiance viendra avec une unité pilote de 5 MW qui fonctionnera
5 ans.
Dans un futur proche, les unités ETM occuperont les niches suivantes:
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
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
Nécessité d’une indépendance énergétique
Zone intertropicale bien sûr
Unités de 1 à 15 MW (soit 8.5 GWh à 130 GWh)
Pour apporter la démonstration de la viabilité de systèmes plus puissants, de
50 à 400 MW. Rappel : la dépense électrique réunionnaise annuelle est de 2,6
TWh.
Améliorations possibles de compétitivité de l’ETM:
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Autres utilisations (QS)
Préchauffage de l’eau par panneaux solaires pour augmenter le rendement
Données développées actuellement par NELHA
L’énergie osmotique des
mers
Inadaptable à la Réunion, le système
n’est pas efficient (= coût-efficace)
Principe



Si un réservoir d’eau salée est à une pression supérieure à
celui d’eau douce, l’eau douce migre vers l’eau salée au
travers d’une membrane semi-perméable 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 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 l'électricité. L'impact environnemental
est en nul, puisque le mélange se fait naturellement.
Limites



Dans l’état actuel de la technologie, la surface de
membrane semi-perméable nécessaire est de 200 000 à
250 000 m2 par MW ; la réalisation de ces membranes
est une des difficultés pour le développement de cette
technique.
Cette technologie n'est donc pas rentable aujourd'hui.
Les coûts élevés de production et les faibles capacités
des membranes (environ 3 W/m2) constituent un frein à
son développement.
Des ruptures technologiques, issues des
nanobiotechnologies ou de l'électro-osmose, sont
attendues pour faire baisser les coûts.
Centrale osmotique d’Hurum
(Norvège)
Le groupe Norvégien Statkraft
souhaite un exemplaire de 25 MW
pour 10000 ménages en 2015
Principe schématique de
fonctionnement de la centrale
osmotique
L’énergie de la biomasse
marine
Adaptable à La Réunion, mais
est-ce une EnR?
Production de biocarburants ou de
combustible pour les centrales thermiques

À partir d'algues
 Cultures d'algues unicellulaires
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
Les lipides extraits de cette biomasse peuvent
être utilisés
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
En étang.
Sous serre.
Dans des bioréacteurs fortement insolés,
soit directement comme huile végétale
ou en mélange à du gazole
soit soumis à une transestérification
Limite…
Conclusion sur les EnR de la mer

La Réunion idéale pour certaines : ETM, houle, courants;
 Pas du tout pour d’autres : marées…
 En tous cas parfaite pour expérimenter et exploiter un smart
grid énergétique et électrique, les deux milliards de la NRL
devraient suffire, en exploitant tout ce dont on a parlé ce
soir et il y a deux mois, l’éolien, le géothermique, le PV, et le
solaire (four, tour, miroirs, panneaux).
 Pour éliminer formellement toute centrale consommatrice
d’énergie fossile à La Réunion;
 En intégrant les délais de fabrication;
 Concevons un schéma de production énergétique pour fin
mars 2012, que nous concocterons ensemble, et qui sera
adapté aux besoins des Réunionnais : qui est partant pour
faire de l’AID une force de propositions?
Il vaut mieux pomper d’arrache-pied même s’il ne se passe rien plutôt
que de risquer qu’il se passe quelque chose en ne pompant pas