Notre planète bleue porte bien son nom puisque 71% de sa surface est recouverte d’eau. Or, les océans et les mers ne nous permettent pas seulement de mettre du poisson dans nos assiettes mais peuvent également devenir une source d’énergie importante. La plupart des technologies qui exploitent les énergies marines existent depuis plusieurs dizaine d’années (usine marémotrice de la Rance, hydroliennes, …) mais les travaux de recherche et les expérimentations actuelles sont sur le point de débloquer leur potentiel et leur offrir le modèle économique et la scalabilité qui leur manquaient.
L’énergie houlomotrice
Depuis quelques années, les chercheurs se sont tournés vers l’énergie des vagues dite énergie houlomotrice.
Les principaux dispositifs d’exploitation de cette source d’énergie peuvent être classés dans les 3 catégories suivantes (retrouver des exemples plus concret avec des schémas ici et là) :
- Les corps flottants : ces structures flottantes articulées souvent en forme de « serpent » sont généralement constituées de tuyaux en acier reliés entre eux par des joints contenant des pompes hydrauliques. Ainsi, le mouvement des vagues fait bouger la structure, actionne les pompes qui entrainent à leur tour des turbines produisant ainsi de l’électricité. On peut citer dans cette catégorie les projets Pelamis (Ecosse et Portugal). Une variante à la française avec un tout autre design que celui du « serpent » a également fait son apparition il y a quelques années avec le projet Searev.
- Les colonnes d’eau ou parois oscillantes : ces dispositifs utilisent le mouvement des vagues pour actionner des pistons, comprimer de l’air et ainsi faire tourner une turbine (projet CETO en Australie).
- Les systèmes à déferlement : les vagues déferlent sur un plan incliné situé sur le littoral ou en mer. L’eau peut alors remplir un bassin situé en hauteur puis retourner au niveau de la mer par gravité en entrainant une turbine (projet Wave Dragons aux Pays de Galles). L’eau peut aussi remplir un bac contenant de l’air ce qui a pour effet de comprimer l’air qui va alors faire tourner une turbine (projet Limpet en Ecosse). Cette dernière technique est un mix entre les système à déferlement et ceux à colonne oscillante.
La quantité d’énergie générée par les vagues est faible (1 W/m²/an) mais rappelons-le la Terre est recouverte à 71% d’eau ! Ainsi, la puissance moyenne annuelle globale en énergie des vagues se situerait entre 1,3 et 2 TW.
L’énergie osmotique
Cette technologie repose sur le fait que l’eau salée attire l’eau douce. En effet, si l’on remplit un bac d’eau douce, un autre d’eau salée et qu’on les juxtapose à l’aide d’une membrane semi-perméable qui laisse passer l’eau mais pas les sels minéraux, un mouvement va se créer du premier compartiment vers le deuxième : c’est ce qu’on appelle l’osmose. Ce déplacement d’eau permet de créer une surpression dans le réservoir d’eau salée. Cette surpression peut être exploitée pour faire tourner une turbine et générer de l’électricité.
Une compagnie norvégienne (Statkraft) a réalisé la première installation de ce genre en 2009. À l’époque, l’objectif de créer 5W/m2 de membrane n’était pas encore atteint puisque le rendement était de 3 W/m2. Ce faible rendement représentait l’inconvénient majeur de cette technologie car pour produire 1 MW avec un rendement de 5 W/m2 il aurait fallu 200 000 m2 de membrane ! Pour pallier à ce problème, les chercheurs ont mis au point des modules cylindriques permettant d’augmenter la surface de contact possible tout en gardant des infrastructures de taille raisonnable.
Mais la solution semblerait provenir d’un autre moyen d’exploiter l’osmose : s’intéresser à l’échange d’ions pour créer directement de l’électricité sans passer par le phénomène de surpression. C’est ce qu’on fait les chercheurs de l’Ecole Polytechnique de Lausanne qui ont mis au point une membrane extrêmement fine (3 atomes d’épaisseur) et sélective (ne laisse passer que les ions chargés positivement) qui permet de créer une tension entre les deux bacs d’eau l’un étant chargé positivement et l’autre négativement. La bonne nouvelle annoncée en juillet dernier par l’EPFL est que cette membrane innovante permettrait d’atteindre un rendement de 1 MW/m2.
L’un des inconvénient de cette technologie reste la rareté des zones éligibles à son installation. En effet, il faut à la fois de l’eau douce et de l’eau salée ce qui réduit les zones potentielles aux embouchures de fleuves. Cependant, le potentiel de génération d’électricité reste important : 1700 TWh annuels soit un dixième des besoins mondiaux. De plus, cette source d’énergie possède l’avantage d’être moins intermittente que l’énergie photovoltaïque ou éolienne.
L’énergie thermique des mers
Les centrales thermiques des mers reposent sur le constat suivant : à partir d’une différence de température entre 2 corps on peut produire de l’électicité (principe de la machine thermique). L’eau à la surface des océans est généralement à 22°C ou plus tandis que les eaux profondes (à 1000m) sont aux alentours de 4°C. Ainsi, l’eau de la surface constitue la source chaude de notre machine thermique et l’eau des profondeurs la source froide.
Les dispositifs sont de trois types :
- Cycle fermé (dit aussi cycle de Rankine) : l’eau de la surface est pompée et amenée jusqu’à un évaporateur pour chauffer un fluide dont le point d’ébullition est inférieur à 22°C. Le fluide se vaporise, la vapeur créée permet d’entrainer un turbogénérateur et de produire de l’électricité. La vapeur est ensuite condensée à l’aide de l’eau de mer froide pompée en profondeur. L’avantage de ce cycle vient de sa « simplicité » d’installation par rapport aux 2 suivants.
- Cycle ouvert : c’est directement l’eau chaude de la surface qui est évaporée et permet de faire tourner la turbine. Ensuite, la vapeur d’eau est condensée dans le condenseur grâce à l’eau froide pompée en profondeur. L’avantage réside dans le fait que la vapeur d’eau ne contient pas de sel. Ce système permet donc également de dessaler l’eau de mer.
- Cycle hybride : ce dernier type de cycle consiste à superposer un circuit en cycle fermé et un circuit en cycle ouvert. En combinant les deux cycles, on obtient de l’eau douce en plus de la production de l’énergie.
Ces installations sont pour l’instant coûteuses, à faible rendement et ne peuvent être installées que dans certaines zones. En effet, pour des raisons de coûts il est préférable de construire ces installations proches des côtes. Cependant, il faut tout de même avoir suffisamment de profondeur pour obtenir une source froide à une température adéquate et il faut que l’eau à la surface ait une température convenable et stable tout au long de l’année afin que la différence de température (aussi appelée gradient de température) soit la plus importante possible. Ainsi, les zones exploitables sont relativement peu nombreuses. De plus, cette technologie étant dans l’idéal un cycle thermodynamique dit de Carnot, le rendement maximal théorique est de 7% et bien que les nouvelles générations se rapprochent de ce seuil théorique, cela reste faible. En outre, il faut se méfier des impacts environnementaux néfastes possibles : dérèglement de la température des océans, perturbation de l’écosystème marin…
Malgré tout, cette technologie permettrait à l’échelle mondiale de produire entre 10 et 80 000 TWh/an grâce à l’eau gratuite et abondante des océans. Et bonne nouvelle la France est pionnière en la matière !
Les entreprises Akuo Energy, DCNS et Entrepose (Groupe VINCI) travaillent conjointement sur plusieurs projets :
- le projet NEMO qui vise à construire une centrale ETM (énergie thermique des mers) de 10 MW en Martinique. La mise en service est prévue pour 2019.
- le projet NAUTILUS qui a pour objectif de compléter le projet NEMO avec la construction d’une centrale ETM onshore de 4,5 MW (prévu pour 2017)
Certaines des innovations présentées au cours de cette série d’articles ont pu vous sembler loufoques mais nous permettront peut-être à l’avenir et suite à certaines évolutions de répondre à nos besoins toujours croissants en énergie tout en respectant les objectifs environnementaux mondiaux et nationaux. Ces idées concernent la production de l’énergie par les énergies renouvelables, mais de nombreuses recherches sont également en cours sur le stockage de l’énergie (volant d’inertie, fil batterie, …) qui est un des facteurs principaux du développement des énergies renouvelables, ou encore l’efficacité énergétique qui permettrait de limiter notre facture énergétique…
Sources :
http://www.france-energies-marines.org/Les-energies-marines-renouvelables/L-energie-osmotique
http://fr.dcnsgroup.com/produit/energie-thermique-des-mers/
http://www.connaissancedesenergies.org/
http://actu.epfl.ch/news/de-l-eau-du-sel-et-une-membrane-de-3-atomes-font-d/
http://energy.gov/eere/energybasics/articles/ocean-thermal-energy-conversion-basics
http://emr-brest.e-monsite.com/pages/houlomoteur.html
http://www.sortirdupetrole.com/societe/292-nautilus-nouveau-projet-de-centrale-etm-en-martinique
