Les Energies renouvelables Part 2 la mer Incitations

Les Energies renouvelables Part 2 : la mer

Incitations au voyage… Ø Aujourd’hui nous allons voyager : l l l Ø 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 L’énergie marine ou énergie des mers est l’énergie renouvelable extraite du milieu marin. Ø Mers et océans = 71 % de la surface du globe. Ø 30 000 GTep pour le seul rayonnement solaire Ø 40 GTep pour la seule force du vent Ø 2 GTep par la seule force des courants Ø Sans compter Ø l l l'énergie des différences de température L’énergie des gradients de salinité dans les estuaires. En 2050, les besoins de l'humanité sont estimés à 16, 5 GTep. Ø Oubliées des budgets de R&D en France : Ø l 0, 1 % sur les 8 % du budget consacrés aux En. R (période 1987 – 2001).

Nomenklatura Ø Les énergies marines incluent : l l l l Ø 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 : l l L’énergie solaire captée au-dessus de la mer L’énergie fossile due à l’extraction d’hydrocarbures sous-marins

Quelques expériences Ø Dans le monde, au Japon : l Ø En France, l’ADEME édite un outil d’aide à la décision pour les préfectures incluant l l Ø 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. Ø L'énergie marémotrice est issue des mouvements de l'eau créés par les marées. Ø Elle est utilisée Ø l l 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 Ø Ordre de grandeur = 22 000 TWh = 2 Gtep Ø Seule une fraction est récupérable Ø Parfaitement prédictible : l l 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 Ø Sihwa Lake, non loin de Séoul Ø Au Canada, une vingtaine de sites Ø Nouvelles technologies : l l Hammerfest Strom, Îles Shetland.

La Rance l 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) l l l 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 Turbine sous-marine utilisant l’énergie cinétique des courants marins (comme une éolienne) Ø La formule de l’énergie est la même: Pcin = ½r. SV 3 où r est la masse volumique du fluide, S le diamètre du cercle de l’hélice, et V la vitesse du fluide. Ø r est 832 fois plus élevé pour l’eau de mer que pour l’air Ø Limite de Betz = 16/27 = 59% (rendement maximal que l’on n’atteint jamais) Ø

Schéma de fonctionnement d’une hydrolienne

Intermezzo vidéo sur le fonctionnement d’une hydrolienne

Hydroliennes sous-marine d’Hammerfest Strom

Avantages Ø Beaucoup plus petites que les éoliennes pour une même puissance Ø Courants marins prévisibles, donc électricité prédictible Ø Potentiels des courants marins sont très importants, Ø Ne pollue pas. Ø De nouveaux modèles d'hydroliennes semi -immergés peuvent être adaptés aux rivières.

Inconvénients Zones de turbulences, d’où les études d’impact. Ø Effets sur la faune Ø Dans les eaux turbides, l’érosion des pales d’hélice ou des pièces mobiles par le sable est très forte. Ø Effet sur la flore => utilisation d’un antifouling. Ø Elles coûtent très cher à l’entretien et à l’installation. Ø

Impacts Mal connus : zones de turbulence, qui empêchent le sédiment mais brasse plus de nutriments Ø Accélération des courants de contournement Ø Pas d’envasement (les grandes pales sont limitées dans leur rotation à 10 -20 trs/mn) Ø 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. Ø

Potentiel Ø Potentiel européen Ø Pour EDF, la France dispose de la deuxième ressource européenne Ø Les courants de marée constituent pour l'instant le domaine préférentiel de ce type de technologie, car : l l intensité importante proximité de la côte direction stable enfin, prédictibilité

Carte des courants dans La Manche

Perspectives 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. Ø UK à la pointe avec des capitaux d’EDF!!! Ø Ø l Ø En France l l Ø Tidalsteam le projet HARVEST le projet industriel Marenergie Un autre démonstrateur de 10 k. W, 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 : l l l Québec, deux turbines de 250 k. W 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. Ø Faisabilité étudiée en Angleterre : Ø l l Ø Depuis 2003, développement de Searev par l l l Ø 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 Ø Machine Pelamis Ø Composée de sections l l l Ce mouvement Les trois machines portugaises La production moyenne Ø Déroulement du projet Ø 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 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 Utilise la différence naturelle de température entre la surface et la profondeur océaniques sous les tropiques Ø Peut générer de l’électricité de manière continue à l’inverse d’autres sources d’énergie renouvelable Ø Jules Verne Ø Arsène D'Arsonval Ø Georges Claude Ø James Hilbert Anderson Ø La crise pétrolière de 1973 relance la recherche. Ø

La première centrale d’ETM en cycle fermé de NELHA (50 k. W)

Centrale de 210 k. W en cycle ouvert de Keahole Point, Hawaï

Usine flottante Sagar Shakti, coopération indo-japonaise, 2000

Conditions d’implantation Ø Installation au niveau de la mer Ø En bord de mer Ø Fonds océanique en descente abrupte Ø Canalisations profondes Ø 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 Ø Fluide de travail Ø Le circuit du fluide Ø Les besoins en eau Ø Les besoins en température Ø À ce jour, il existe trois types de centrales ETM: l l l cycle ouvert cycle fermé cycle hybride

Le cycle ouvert Pompage de l’eau chaude de surface Ø On l’introduit dans un évaporateur qui sera mis sous vide, pour favoriser l’effet d’évaporation. Ø La faible pression générée par la vapeur suffit à entraîner un turbogénérateur qui produira l’électricité. Ø La vapeur est condensée en eau douce au contact de l’eau froide, et pourra être utilisée à la consommation. Ø

Le cycle fermé de Rankine Ø Ø Ø 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 NH 3 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. NH 3 évaporé passe dans un turbogénérateur pour produire de l’électricité. Puis NH 3 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, NH 3 revient dans l’évaporateur.

Remarques sur les cycles Ø Le cycle hybride permet de produire de l’eau douce avec un circuit ammoniac. Ø Dans le cycle ouvert Ø Dans le cycle fermé Ø Dans le cycle hybride

Le rendement Ø Dans le cas d'une ETM, le rendement s'exprime donc par : l l 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). Ø De plus ne prend pas en compte le travail de pompage. Ø Le rendement croît Ø l l l Avec la puissance de l’usine Avec le cycle utilisé (mieux en cycle fermé) Avec la différence de température

Les impacts Ø Environnementaux : chlore? Ø Thermiques : négligeable Ø Biologiques : plutôt favorables… Ø Atmosphériques : CO 2? Ø Au final : impact insignifiant!

NELHA : Descriptif Ø NELHA = Natural Energy Laboratory of Hawaïan Authority Ø Objectifs Ø Coproductions Ø Immense site avec 3 types de canalisations l l En surface En profondeur • L’ancienne canalisation • Actuellement

Site de NELHA • Honolulu Keahole Point

Que faire d’autre avec l’ETM? Ø Eau douce Ø Réfrigération de bâtiments Ø Aquaculture Ø Agriculture Ø Biomasse Ø 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 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. Conduites d’aération Zones de vie Cuve d’ammoniaque Arrivée d’eau chaude Relargage d’eau froide Relargage d’eau chaude Condensateur Turbine Arrivée d’eau froide

Signature d’une convention entre le CR et la DCNS le 15/10/2009

Conclusions sur l’ETM Ø Ø Ø 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 En. R des Nations. Unies, 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: l l Ø 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: l l l 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) ; Ø La surpression ainsi créée peut être utilisée pour actionner une turbine. Ø Dans la pratique, on envisage d'opérer avec une surpression de 1 MPa (10 bars) ; un débit d’eau douce de 1 m 3/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. Ø

Limites Dans l’état actuel de la technologie, la surface de membrane semi-perméable nécessaire est de 200 000 à 250 000 m 2 par MW ; la réalisation de ces membranes est une des difficultés pour le développement de cette technique. Ø Cette technologie n'est donc pas rentable aujourd'hui. Les coûts élevés de production et les faibles capacités des membranes (environ 3 W/m 2) constituent un frein à son développement. Ø Des ruptures technologiques, issues des nanobiotechnologies ou de l'électro-osmose, sont attendues pour faire baisser les coûts. Ø

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 estce une En. R?

Production de biocarburants ou de combustible pour les centrales thermiques À partir d'algues Ø Cultures d'algues unicellulaires Ø l l l Ø Les lipides extraits de cette biomasse peuvent être utilisés l l l Ø 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 En. R de la mer Ø Ø Ø 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