Hydroliennes

 

Définition et catégories

Les hydroliennes permettent de transformer l’énergie cinétique des courants marins en électricité. Les mouvements de la mer sont une source inépuisable d’énergie. Il existe trois formes principales de captation de cette énergie :

  • transformation de l’énergie cinétique des courants marins, notamment des courants de marée que l’on rencontre près des côtes, dans le cas des hydroliennes ici traité ;
  • utilisation de l’énergie potentielle liée au marnage (différence de niveau entre la pleine et la basse mer) par des usines marémotrices du type de celle de la Rance ;
  • emploi de l’énergie des vagues nées du vent à la surface des mers, par différents dispositifs comme des bouées ou des colonnes oscillantes qui captent l’énergie par pompage puis turbinage ou des rampes associées à un puits de turbinage.

Les hydroliennes sont des sortes d’éoliennes subaquatiques. Le déplacement de l’eau par les courants marins fait tourner leurs pales. L’énergie mécanique générée est convertie en électricité par dynamo.

Hydrolienne énergies marines

Modèle d'hydrolienne « D10 » développé par Sabella. (©Sabella)

Fonctionnement technique ou scientifique

Conception d’une hydrolienne

Une hydrolienne comporte une roue à aubes ou une hélice constituée de pales montées sur un arbre dont la rotation (créée par le courant marin) entraîne une génératrice électrique. Certaines hydroliennes sont installées sur un mât ancré dans les fonds marins. Les opérations de maintenance en sont facilitées pour peu que la hauteur du mât soit suffisante pour le faire émerger de la surface de la mer. En contrepartie, l’ancrage de ces mâts est délicat. L’autre façon d’installer une hydrolienne consiste à la monter sur un bâti constitué d’un tripode posé sur les fonds marins au moyen d’une barge. L’installation est simplifiée mais la maintenance nécessite la récupération complète du dispositif immergé.

Le rendement énergétique

La puissance cinétique d’un fluide traversant un disque est proportionnelle à sa surface, donc au carré de son diamètre, à la masse volumique du fluide et au cube de sa vitesse.

En pratique, la veine du fluide s’élargit au voisinage des pales de l’hydrolienne, ce qui fait chuter sa vitesse. Ainsi la puissance récoltée est limitée à 60% de la puissance théorique. Il faut en outre déduire les pertes de la machine liées aux frottements et à la conversion de l’énergie mécanique en énergie électrique, ce qui conduit à un rendement global de 40 à 50%.

Pour une hydrolienne placée dans un courant de 2,5 m/s (soit 5 noeuds), si l’on souhaite obtenir une puissance de 1 MW, il faut une surface d’interception de l’ordre de 300 m², ce qui correspond à un diamètre de 20 mètres. Les démonstrateurs en développement sont équipés de turbines dont le diamètre est compris entre 10 et 20 mètres, ce dernier chiffre correspondant à une limite haute compte tenu des contraintes techniques de réalisation (masse de l’ensemble tournant et couples parasites dus aux turbulences de l’écoulement).

Enjeux par rapport à l'énergie

Contrairement aux vents, les courants marins sont prévisibles à long terme car le courant de marée se retourne régulièrement de façon sinusoïdale, avec des amplitudes connues, variables avec la lune. Au moment du retournement de ce courant, les hydroliennes ne produisent plus d’énergie jusqu’à ce que la force du courant atteigne de nouveau environ 2,5 nœuds (soit près de 4,6 km/h). Elles passent à pleine puissance au-delà de 4 nœuds (près de 7,4 km/h). Le bilan global annuel exprimé en heures de fonctionnement à pleine puissance est de l’ordre de 4 000 à 5 000 heures, soit de 11 à 14 heures par jour. Le facteur de charge des éoliennes atteint donc 46 à 57%, à comparer aux 20 à 30% moyens de l’éolien.

Les hydroliennes sont beaucoup plus petites que les éoliennes (dans un rapport 3 à 4) pour une même puissance du fait de la masse volumique de l’eau, environ 800 fois plus élevée que celle de l’air et ceci bien que la vitesse du courant soit 3 à 4 fois plus faible que celle du vent dans les sites sélectionnés. Toujours par rapport aux éoliennes, l’impact sur l’environnement des hydroliennes est faible car elles ont peu de signature visuelle. Elles sont silencieuses et implantées hors des zones de pêche en particulier de chalutage. A contrario, les coûts d’investissement et d’exploitation liés à l’environnement marin sont plus élevés (de l’ordre du double de ceux des éoliennes, à puissance installée égale).

L’évaluation de l’intérêt économique des hydroliennes ne pourra être établie qu’après un retour d’expérience sur une période suffisante. En particulier, il faut évaluer les coûts de maintenance consécutifs à la corrosion marine (sel, algues, coquillages), la rareté des sites compatibles avec les activités marines humaines (pêche, navigation, etc.), les contraintes environnementales.

Acteurs majeurs

Citons parmi les acteurs industriels en pointe dans cette filière la société britannique Marine Current Turbines (MCT, détenue par Siemens), la société irlandaise OpenHydro et Alstom Hydro associée à la société canadienne Clean Current.

  • MCT s’appuie notamment sur le chantier naval Harland and Wolff à Belfast qui lui sert d’intégrateur. La plateforme SeaGen développée par MCT, d’une puissance de 1,2 MW, pèse de l’ordre de 1 000 tonnes, ce qui relève bien de la compétence d’un chantier naval. Sa maintenance est facilitée par la possibilité de sortir de l’eau l’ensemble pales/turbine qui est porté par un pilier ancré dans les fonds marins. Cependant la pression de l’eau sur les pales étant de l’ordre de 100 tonnes pour 1 MW produit, l’ancrage dans les fonds marins de ces hydroliennes présente une réelle difficulté. Compte tenu de la longueur des pales de l’ordre de 10 mètres, cette plateforme doit être installée dans des fonds de 30 mètres environ, dans une zone de courants de marée importants. Les estuaires de fleuves ou des lochs irlandais ou écossais sont des sites potentiels. MCT est détenue par le groupe Siemens depuis 2012.
  • OpenHydro développe une hydrolienne totalement immergée en eau profonde. Un premier système est en phase probatoire au Canada. Grâce à la puissance du courant  sur le lieu d’installation (baie de Fundy), il fournit une puissance de 1MW pour une masse de 400 tonnes avec une roue de 12 mètres de diamètre. Ces systèmes sont destinés à des zones de très forts courants comme on en trouve près des grands caps marins (par exemple le raz Blanchard au bout du cap de La Hague, le raz de Barfleur, la baie de Saint Brieuc ou la zone de Fromveur à Ouessant). En France, EDF mène un projet à Paimpol/Bréhat, en baie de Saint Brieuc, en partenariat avec OpenHydro. DCNS est actionnaire majoritaire d'OpenHydro depuis mars 2013(1).
  • De son coté, Alstom Hydro s'est appuyé sur les turbines à vitesse variable et à entraînement direct de Clean Current(2).

Unités de mesure et chiffres clés

Les études prospectives effectuées sur le potentiel de l’énergie hydrolienne ont permis de cerner les sites favorables à l’implantation de ces équipements, qui doivent répondre aux critères suivants :

  • zones de courants de marée importants générant une puissance intéressante avec un diamètre de roue compris entre 10 et 20 mètres (courant supérieur à 4 ou 5 nœuds) ;
  • profondeur de l’ordre de 30 à 40 mètres pour limiter les difficultés d’installation et de maintenance, tout en évitant d’entraver la navigation (il faut laisser un tirant d’eau minimum de 10 mètres) ;
  • proximité des côtes pour tirer un câble sous marin de raccordement au réseau à coûts restreints.

Au niveau mondial, le potentiel estimé de l'énergie hydraulique est compris entre 75 et 100 GW. Les capacités européennes sont estimées à 12,5 GW ce qui permettrait sur la base de 4 000 heures de fonctionnement annuel de produire 50 TWh, soit l’équivalent de 4 réacteurs de type EPR. La zone méditerranéenne ne peut pas fournir d’énergie hydrolienne du fait de la faiblesse des marées, sauf au détroit de Messine. Les principales zones d’intérêt en Europe sont la Manche, la mer du Nord et la mer d’Irlande.

La France possède la deuxième ressource européenne après le Royaume-Uni, 20% de ce potentiel nationale (estimé à 3 GW) étant réparti entre la Bretagne et le Cotentin. Comme pour l’énergie hydraulique produite par les barrages, il s’agit d’une exploitation de niches naturelles liées à la géographie côtière.

Passé et présent

Les hydroliennes de type SeaGen, fournies par MCT, montées sur pylône sont au stade de démonstrateur avancé. Un système de 1,2 MW installé à Strangford Lough depuis 2008 produit près de 6 000 MWh par an, l'équivalent de la production annuelle d'une éolienne de 2,4 MW selon le groupe(3). La fiabilité de ces systèmes et leur coût d’exploitation restent encore à affiner.

Futur

Le coût de production visé pour la période 2010/2020 est de l’ordre de 150 euros le MWh, soit près de 3 fois le coût de production par des sources conventionnelles comme le nucléaire. Des économies d’échelle liées au passage du stade de démonstrateur au stade industriel sont toutefois attendues.

L’évaluation comparée des potentiels de production des fermes d’hydroliennes avec celui des éoliennes offshore donne un net avantage à ces dernières, qui pourraient fournir 10 fois plus d’énergie en Europe. En effet, il est plus aisé de trouver des sites ventés toute l’année en zone côtière que des sites à forts courants de marée. Ces derniers correspondent à des singularités du rivage (estuaires, extrémités de grandes baies fermées, grands caps, etc.) C’est pourquoi les coûts respectifs de fabrication, d’installation et de maintenance seront déterminants dans les choix d’équipements. L’avantage des hydroliennes est très certainement leur impact minimum sur le paysage et l’environnement en général.

En ce qui concerne la Royaume-Uni et la France

Le Royaume-Uni est le pays européen le plus avancé du domaine. C’est également celui qui dispose des plus importantes ressources naturelles. La mise en place de fermes de capacité comprise entre 10 et 100 MW est prévue à partir de 2015, dans la perspective d’une puissance installée en 2020 située entre 1 et 2 GW, avec le potentiel à terme de fournir 15 à 20% de la demande actuelle d’énergie électrique du pays.
Le « Marine Energy Action Plan 2010 »(4), publié par le ministère britannique de l’énergie et du climat, a l’ambition d’économiser 17 millions de tonnes de CO2 à l'horizon 2030 et 60 millions de tonnes d'ici 2050, tout en créant 16 000 emplois. Ce plan est centré sur les hydroliennes, mais comporte également un volet concernant la captation de l’énergie des vagues.

En France, EDF procède à un essai pilote depuis octobre 2011 et regarde cette technologie avec intérêt du fait de son plus faible impact sur l’environnement que l’éolien offshore. Par exemple, l’acceptation par la population locale de l’expérimentation de Paimpol/Bréhat a été obtenue sans problème majeur, alors que l’implantation d’éoliennes offshore était rejetée. Les hydroliennes seront installées en concertation avec les pêcheurs dans une zone destinée à la reproduction naturelle des espèces où la pêche est interdite. La société Sabella compte également installer sa turbine D10 d'ici à l'hiver 2014/2015 dans le passage du Fromveur, une zone de forts courants au large du Finistère.

Si le Royaume-Uni affiche une volonté d’obtenir à partir des énergies marines 15 à 20% de son besoin d’énergie électrique, le potentiel français évalué par EDF serait plutôt de l’ordre de 10 TWh par an, soit l'équivalent de la production annuelle d'un réacteur nucléaire de 1 500 MW (comme Chooz dans les Ardennes).

Le saviez-vous ?

C’est au Canada, dans la baie de Fundy, que l’on trouve les plus importantes marées du monde. Elles excédent 15 mètres et le courant est de 14 km/h (7,5 nœuds). Chaque marée déplace 14 milliards de tonnes d’eau toutes les 6 heures et quart entre les 6 km qui séparent les deux caps fermant la baie.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Une hydrolienne comporte une hélice dont la rotation dans le courant marin entraîne une génératrice électrique.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Les hydroliennes sont beaucoup plus petites que les éoliennes pour une même puissance.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Le Royaume-Uni est le pays européen le plus avancé dans le secteur des hydroliennes.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Des sociétés développent également des hydroliennes fluviales installées sur des fleuves.